肖建华
21世纪的工程数学:几何算子?
2015-3-29 14:50
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      在过去的一百多年里,用几何场表达基础科学理论逐步的成为“共识”。现在,该是收获季节了!因此,有很多学者认为:21世纪的工程数学是以几何算子为潮流。

      在计算机主导的数字化革命以后,基础科学理论与工程科学的接口在那?这是所有应用科学研究必须回答的一个问题,因为只有在这个接口找到后,大规模的工程应用才是可行的。而其中的核心就是:工程数学。

      在计算机发明后,传统的工程数学完成了由解析求解到数值求解的转变。在21世纪初期的技术发展远超出了人们的预期,是否还玩传统的工程数学?这个问题就被学界提出来了。

      他们的思想背景是:1)现在对数学的学习、练习、应用、和研究是最有效率的道路吗?是最大化满足各类需求的办法吗?2)在计算机技术高度发达的背景下,如何改进数学的教学和应用呢?3)使大学生、科研人员、工程师都受益最大化的数学为何?

虽然不能指望搞出一个数学的大统一论,但是搞一个基于几何概念的小统一化数学却是现实的。为何要以几何为基础呢?几何为何如此重要呢?因为只有这个数学分枝是可以想象和视觉化的!几何算子在数学中的地位也远远高于其它分枝。而几何算子的最大特点在于:对教学和应用而言的简单、清晰、直接。对大学生有吸引力。

持这种观点的数学家列出的历史规律是:

300BC,欧几里得几何

250AD,算术

1736,坐标系(笛卡尔解析几何)

1798,高斯, 复数代数(复平面)

1843,哈密尔顿, 四元数

1844,格拉斯曼, 广义代数

1854Cayley, Boole, 矩阵代数

1878,克利福德(Clifford, 几何代数

1881,吉布斯, 矢量算子

1890,里契, 张量算子

1882Cartan, 微分形

1928,狄拉克、泡利,自旋代数

1957Riez, Clifford数,自旋子

1966Hestenes, 空时代数

现在,几何算子.

现实的实在是:有一本现代经典著作(D. Hestenes & G. Sobczyk. Clifford Algebra to Geometrical Calculus---- A Unified Language for Mathematics and Physics, Kluwer AcademicPublishers, Dordrecht, 1984)。自此书出版后,在本世纪初,基本上已经成为数学和物理学的通用语言。

在本世纪,几何算子进入大学课堂(甚至高中)是肯定的。

      【注:微积分的强项是求解析解;几何算子的强项是求数值解;因而,1980后发展起来的有限元法(矩阵代数,1854)可以看成是两者间过渡的中间期。也可看出,近代,由理论形式创立到大规模工程应用,在数学学科大概为120年滞后期。由此推测,几何算子的大规模应用时间节点为:2080前后。这是因为,用几何代数(1878)重写众多学科的浩大理论表述变革(取代微积分表达)已经滞后了120年才启动。】

 

 


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