李泳
简单与不简单 精选
2013-9-29 08:51
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Edward KasnerMathematics and the Imagination里看到两条曲线,一条是“简单”的8-字圈儿:

 

 

另一曲线卷出一个妖精:

直观看来,第二条曲线复杂得多,然而它才数学的“简单”曲线,与圆圈是一样的;而8字不简单——因为它自相交了。

平面的简单曲线有一个简单的性质:将平面分成两个不想交的区域(内与外)。然而,这个简单而且直观的性质却不是自然而然的,它需要证明(所谓的Jordan定理,Jordan1887年提出它时,以为它是很显然的,却并没能正确地证明)——后来发现,证明它一点儿也不简单,需要同调论(有的初等拓扑书也给出过不用同调群的证明,如M.A. Amstrong, Basic Topology)。

Jordan定理还有更强的性质:简单曲线分隔的内外区域分别同胚于圆周分隔的内外区域。直观说来,这个性质似乎当然可以推广到高维情形:球面把三维空间分成两部分。可是,就在三维情形,出问题了。

 

    J.W. Alexander普林斯顿高等研究院的第一批成员之一)在1924年不知怎么想出一个真不简单的东西——Alexander牛角球——说那怪物是“球”,因为它与球同胚(homeomorphic to a sphere)。问题就在,虽然这个“角”(连同它的内部)是一个“球”,但它的外面却不等于普通球的外面——因为球面的外部空间是但连通的(一个圈儿可以缩成一点),但这个“角球”的“外面”显然不是但连通的:例如,可以给角带一个圈儿。但这个圈儿显然不能缩成一点。亚历山大构想的这个东西,就证明了Jordan定理在3维情形不成立!

 

 

              从这个图可见那牛角是怎么生长的——竟然是一个分形!(想想Cantor集)

 

                                漫画家让那角长在Conway的头上

   

   可见,简单的并不简单,直观的却不直接。证明直观的东西,往往需要不直观的概念和方法——也就是要远离那个问题本身。

 

 

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