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什么是數(shù)學?未來科學大獎得主莫毅明研究的是啥?

2022/08/22
導讀
數(shù)學力求通用、抽象、概括。
    8.21
知識分子The Intellectual

2022年未來科學大獎-數(shù)學與計算機科學獎得主:香港大學Edmund and Peggy Tse講席教授莫毅明


 編者按

剛剛,2022年未來科學大獎揭曉,香港大學教授莫毅明成為新晉數(shù)學與計算機獎得主,獲獎理由是:獎勵他創(chuàng)立了極小有理切線簇(VMRT)理論并用以解決代數(shù)幾何領(lǐng)域的一系列猜想,以及對志村簇上的Ax-Schanuel猜想的證明。

1956年出生的莫毅明主要從事多復(fù)變函數(shù)論、復(fù)微分幾何與代數(shù)幾何的研究。他1978年從美國耶魯大學獲得碩士學位,1980年獲斯坦福大學博士學位,先后在美國普林斯頓大學、美國哥倫比亞大學、法國巴黎大學任職,1994年回到香港擔任香港大學數(shù)學系講座教授。

“莫毅明教授的工作樹立了復(fù)幾何、代數(shù)幾何以及數(shù)論成功合作的典范?!蔽磥砜茖W大獎科學委員會委員、美國西北大學Pancoe 講席教授夏志宏評論說。

撰文 | 夏志宏

責編 | 陳曉雪


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什么是數(shù)學?

一年一度的未來科學大獎剛剛揭曉。祝賀三位獲獎科學家榮獲未來科學大獎:


生命科學獎,李文輝,北京生命科學研究所資深研究員, 清華大學生物醫(yī)學交叉研究院教授;物質(zhì)科學獎,楊學明,南方科技大學教授,中國科學院大連化學物理研究所研究員;

數(shù)學與計算機科學獎,莫毅明,香港大學Edmund and Peggy Tse講席教授。


作為未來科學大獎科學委員會委員,今年的評選工作又有了值得慶賀的結(jié)果,倍感欣慰,在評選過程中看到了大中華地區(qū)科學的發(fā)展與活力,而獲獎?wù)邆兊慕艹龉ぷ髯屓丝吹搅酥袊鴮茖W和人類文明的貢獻。

數(shù)學與計算機科學獎獲得者莫毅明教授的工作非常艱難、深刻。本想詳細介紹他的工作,但知難而退,先聊聊數(shù)學學科本身。

一提起數(shù)學,很多人想到的是計算、做題與數(shù)學競賽。其實這些只是數(shù)學技巧,不是數(shù)學本身。就像畫筆、油布不是藝術(shù),而是藝術(shù)的工具。

數(shù)學力求通用、抽象、概括。最簡單的例子是教小孩加法,通常我們會說1個蘋果加2個蘋果等于3個蘋果,或者1個橘子加2個橘子等于3個橘子,小孩慢慢會發(fā)現(xiàn)蘋果和橘子并不重要,重要的是數(shù)字本身。小孩慢慢也能總結(jié),如此算法也可以應(yīng)用到其他物體上。漸漸地,小孩的思維里就可以丟掉具體的蘋果和橘子,抽象為統(tǒng)一的 “1+2=3”。

不要小看如此簡單的公式,這里有了一個質(zhì)的飛躍。我們并不管1、2、3背后的東西,蘋果也好,飛機也好,甚至非常抽象的概念,都有一個同樣的規(guī)律。

這就是數(shù)學。

一般數(shù)學理論就像1+2=3這樣,只不過是在更高層次上抽象概括,其重要性也像1+2=3一樣深刻。有人會覺得抽象數(shù)學很難,其實大部分人都已接受1+2=3這樣的抽象概念,經(jīng)過訓練,大部分人也都能接受更高層次的抽象思維。

舉個更復(fù)雜的例子。正三角形有很好的對稱性,對稱性的意思是,經(jīng)過某些空間位置變動(移動、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn))后仍然保持一樣的圖形。比如,正三角形以中心旋轉(zhuǎn)120度、240度或360度以后,所處于空間的位置是一樣的,另外沿某個對稱軸翻轉(zhuǎn)以后也得到一樣的空間圖形。用數(shù)學語言描述,這些保持空間位置不變的變換構(gòu)成一個 “群”,稱之為 “對稱群”,正n角形的對稱群一般記為Dn。

排成一排的三個同樣的小鋼球換了順序以后,外表看上去還是一樣的。順序的轉(zhuǎn)換也構(gòu)成一個群,叫做 “置換群”,n個小球的置換群一般記為Sn。正三角形的對稱群D3和三個小球的置換群S3剛好是一樣的。

數(shù)學家的工作之一就是研究這些抽象群的性質(zhì),而不用關(guān)心它們的具體背景,所得到的結(jié)果當然也就會是普遍的、通用的。比如,大部分5次代數(shù)方程的5個根有S5的對稱性,而因為S5的復(fù)雜性,我們可以得出結(jié)論,這些5次方程的解是不可能用代數(shù)公式表達出來的。也就是說,不存在5次代數(shù)方程解的一般公式,而S3,S4相對簡單一些,所以3次方程和4次方程都有公式解。這就是著名的伽羅華(Galois)理論,由法國數(shù)學家伽羅華在他18歲(1830年)時創(chuàng)立。一年多以后伽羅華與人決斗,不幸去世。關(guān)于決斗原因,眾說紛紜,有說是因政見不同,也有說是因為一個叫Stephanie的女孩。

不同數(shù)學學科有不同的研究對象。既然數(shù)學不以實物作為研究對象,我們不妨暫時稱這些對象為元素。元素可以是數(shù)字、空間的點或其他抽象物體。如果元素之間可以進行代數(shù)運算,比如兩個元素可以相加、或相乘,我們就得到一個學科:代數(shù)。數(shù)學上稱元素上的運算為元素之間的一種結(jié)構(gòu)。其他數(shù)學學科研究的是元素之間的其他結(jié)構(gòu)。比如幾何的研究對象就是元素之間有距離的結(jié)構(gòu)。這可以理解為空間的一些點,點與點之間有距離。如果這個距離的概念有很好的性質(zhì),這就產(chǎn)生了黎曼幾何。也有的時候,精確的距離概念并不重要,比如氣球,距離可以隨意伸縮,但并不改變氣球本身內(nèi)在的物體。這時氣球的結(jié)構(gòu)可以用鄰居這個概念來描述。無論氣球怎么伸縮,任何點都有同樣的一些不同范圍的鄰居,鄰居這種結(jié)構(gòu)還是保留下來了。鄰居的概念在數(shù)學上稱之為 “拓撲”,這也就是拓撲學研究的對象。

也有一個特殊的數(shù)學學科的研究對象就是元素,無任何外加的結(jié)構(gòu),這個學科就是集合論。因為沒有結(jié)構(gòu),給人以無從下手的感覺,因此更為抽象。

和其他科學研究一樣,數(shù)學研究的目的是探索未知。當然,抽象數(shù)學本身很有趣,可以作為藝術(shù)欣賞。另外,數(shù)學可以培訓概括、理性、抽象分析的能力。對很多人來說,代數(shù)、微積分等可能學了沒有多少實際用處,但這些課程對思維的訓練有不可忽視的作用。

其實,數(shù)學也有廣泛、深刻的直接應(yīng)用。最通俗的例子是網(wǎng)上交易?;ヂ?lián)網(wǎng)是一條條透明的通道,你和銀行的每一句對話其他人都可以聽到,也就是說,包括交換密碼本在內(nèi)的對話其他人都可以聽到(記得小時候看諜戰(zhàn)片里的主要焦點就是偷取、破譯或保護密碼本)。在密碼本完全公開的情況下,我們?nèi)绾巫龅骄W(wǎng)絡(luò)上的加密通信仍然是保密的?這可能嗎?數(shù)學家告訴你,這是可能的,而且你每天都在用。這種加密方法用到了非常高深的數(shù)學理論——數(shù)論。2019年未來科學大獎之數(shù)學與計算機科學獎的獲獎?wù)咄跣≡平淌诘难芯款I(lǐng)域就是密碼學,而她的博士論文討論的就是數(shù)論領(lǐng)域。

今年未來科學大獎之數(shù)學與計算機科學獎獲得者莫毅明教授是復(fù)幾何和代數(shù)幾何專家。復(fù)幾何和代數(shù)幾何的研究對象分別是有復(fù)數(shù)結(jié)構(gòu)和代數(shù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀。復(fù)幾何研究的目的是理解這些幾何形狀的特性,以及它們之間的保持復(fù)結(jié)構(gòu)的映射。莫毅明和合作者創(chuàng)立和發(fā)展了極小有理切向量族(VMRT)理論,以一組有特殊結(jié)構(gòu)的代數(shù)簇來研究流形之間的解析映射,以此解決了一系列懸而未決的數(shù)學猜測。

莫毅明教授的研究非常深刻與艱難,常人很難理解。我們不妨從一個更大的視野來看數(shù)學研究。數(shù)學家們?nèi)绾窝芯繑?shù)學?數(shù)學盡管抽象,但其研究方式還是有些規(guī)律的。最常用的方法是 “比較”。群論里有簡單的群,幾何里有簡單的流形,拓撲學里有簡單的拓撲空間。我們往往對這些簡單的對象有充分的理解。如果遇到更為復(fù)雜的群和空間,我們可以與其他群或空間,尤其一些簡單的群或簡單的空間作比較,這種所謂的比較就是找到一些有意義的、保持某些數(shù)學結(jié)構(gòu)的映射(群論里是同態(tài),拓撲里是連續(xù)函數(shù)等等)。這種方法可以用來分類,以及找出復(fù)雜對象中的簡單結(jié)構(gòu)。莫毅明教授的工作正是發(fā)明了一組擁有特殊結(jié)構(gòu)的對象,以此通過比較來確定其他流形的性質(zhì)。

表面上看,各個數(shù)學分支研究的對象不同,都在一個封閉的自我世界之中。其實不然。各個方向的相互聯(lián)系恰恰是數(shù)學的活力。代數(shù)方程的解有豐富的幾何結(jié)構(gòu),這是為什么有代數(shù)幾何這個學科。同樣,拓撲空間有諸如同調(diào)群、同倫群等豐富代數(shù)結(jié)構(gòu)。當前數(shù)學上最為活躍的領(lǐng)域之一,Langlands Programm,就是試圖證明數(shù)論與幾何的聯(lián)系。

莫毅明教授的工作樹立了復(fù)幾何、代數(shù)幾何以及數(shù)論成功合作的典范。值得一提的,是莫毅明教授另外一個很有意義的工作。大家可能都知道歐拉數(shù)e和圓周率π都是超越數(shù),即e 和π 都不是有理代數(shù)方程的根。人們猜測e和π之間也沒有代數(shù)關(guān)系,這是一個經(jīng)典的未解問題,它是數(shù)論上重大猜測——Schanuel猜測——的一部分。Schanuel猜測可以推廣到一般代數(shù)簇上,成為Ax-Schanuel猜測。莫毅明和他的合作者最近解決了一類特殊的代數(shù)簇——志村簇——上的這一猜測,又一項了不起的工作!

再次祝賀莫毅明教授榮獲2022年未來科學大獎之數(shù)學與計算機科學獎!

制版編輯 | 姜絲鴨



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南方科技大學數(shù)學系主任、講座教授,致誠書院院長。
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