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图1.哈佛大学Sanders Theater。
纽约的暖冬分外迷人,长岛海边,天青云淡,碧波万顷,和风微醺,斜阳缱绻。感恩节来临,被庸琐生活磨砺得麻木冷漠的内心变得敏感而柔软,回想过往的周遭际遇,沧海桑田,不胜唏嘘;对所有曾经的老师,朋友和学生,都充满了感激。
青葱岁月,老顾有幸向清华军乐队的周乃森老先生学习单簧管的演奏技法。当时周先生已经年届古稀,依然精神矍铄,中气十足。每周四下午,在清华老音乐教室的一间狭小的琴房,高壁小窗,光线幽暗,只在钢琴上,抹一缕残阳。周先生摩挲着他那心爱的单簧管,水晶笛头,晶莹透亮。周先生吹奏木管乐器,清越激昂,颇有铜管风格。每次演奏高音旋律,总感觉像一把金属粉末撒在琴室的那束阳光中,在空中自由飞舞,闪烁着金属光泽。当时老顾处于初学阶段,运气凝滞,运指僵硬,一遇到复杂的旋律,就会动作走形。特别是精神紧张时,老顾的小拇指总会在不知不觉中翘起,这时,周先生总会用铅笔轻轻敲击老顾的小拇指,加以提醒。黄昏时分,清华园彩霞满天,杨柳扶风,琴室内晦暗朦胧,乐音袅袅,氤氲透骨。周先生这时总会抱怨视力衰退,这是因为年轻时充满激情不舍日夜地为乐队誊抄器乐总谱所致。周先生有一次对我讲,“我对你没有太多要求,只是在将来,如果你遇到有心的年轻人对音乐有兴趣,就把我教你的东西传给他(她)。”多少年后,老顾最终走上了讲坛,冥冥中,周先生的这句话起到了至关重要的作用。
哈佛岁月,老顾渴望投到丘成桐大师门下。但是,老顾的计算机科学背景令老顾自惭形秽,自卑得不敢开口。丘成桐看出了老顾的心思,宽慰道“这不要紧,只要你热爱数学,肯下苦功,就不会有问题。”一句话,令老顾感激涕零。做学子时,老顾承受学业家庭多重压力,所做成果要么不为人所知,要么被人巧取豪夺,令老顾愤恨交加,心力交瘁。丘先生又道,“你只需要做好学问,其他一切就会迎刃而解,不必太在意。”一句话,令老顾受益终生。丘先生的办公室在哈佛大学数学系图书馆的最深处,一面墙都是黑板,一面墙全是落地长窗。窗外是哈佛教堂哥特式的尖顶,直刺苍穹。新英格兰的阳光透射到室内,记忆中,整个办公室都笼罩在一层淡淡的光晕之中。就在那片黑板上,丘先生不厌其烦地给我补课,从最初等的拓扑和几何讲起,直至现代几何前沿。从曲面的基本群到Ricci曲率流,从上同调到蒙日-安培方程。在丘先生的办公室里,我忘却了尘世的浮嚣,忘却了人性的复杂,忘却了物欲的贪婪,忘却了现实的一切,只有纯粹的数学,精粹的思想。丘先生的办公室有一种强大的气场,一种圣洁的光芒,在这里,每个人的灵魂都得到涤荡,每个人都会体会到自己卑微的生命有可能融汇到自然的真理之中。
丘先生告诉我“衡量一个人学问做得怎么样其实很简单:要么看他是否证明了前人不知道的定理;要么看他是否做出了前人做不出来的算法。”丘先生的这一句话,使我明确了人生目标:用计算机来体悟现代数学,将深邃优美的几何定理从晦涩抽象的书本中解放出来,变成算法程序,使天下没有学过数学的人也能直接体会使用。丘先生抓紧一切机会向弟子们传授几何知识。一次,我们在Dophie Seafood用午餐。我那时无法理解什么样的曲面拓扑同胚但却又不存在共形同胚,苦思多日,依然不得要领,因而郁郁寡欢。丘先生随手在餐巾纸上画出了亏格为一的曲面和平环,详细讲解了曲面的共形不变量。那一刹那,我恍然大悟,顿扫阴霾。(今天,我们就讲这一理论。)
后来,和朋友们一同打天下,开创计算共形几何这一新兴领域。身边科技浪潮汹涌澎湃,潮起潮落,云涨云消。我们一同安于愚拙,不学伪巧,殚精竭虑,心无旁骛。一种拓扑一种拓扑地做过去,一种不变量一种不变量地做过去,每一步的突破都要点滴积累,累月经年。和朋友们一同欢笑,一同流泪,一同赞叹自然的美丽恢宏,一同叹惋青春的稍纵即逝。
老顾门下已经毕业了许多博士。老顾深深地感激他们,他们用生命中最璀璨的年华追随心中的梦想,为计算共形几何领域的拓展做出了不可磨灭的贡献。作为计算机科学博士,他们都曾经受到老顾不可理喻的苛求:学透相关的纯数学理论。一个算法的发明只需要几个月,但是证明算法解的存在性,唯一性,光滑性却往往需要几年,并且工程领域的学术界对理论的严密性并不心存感激。学生们的理想主义经常在现实中被人性的猥琐阴暗碰得头破血流,这时老顾总是宽慰他们:“我们做的几何是自然界的一部分,她超出人类的历史。我们最终的裁判不是人类,而是自然。”许多学生毕业后留在了学术界,更多的是加入到华尔街或硅谷。有多位学生,当他们拿到博士学位,并在硅谷或华尔街找到工作后,前来告别时都是泪流满面。他们说,他们已经学会了复杂的编程技巧,足可以此谋生,并且进入金融界或信息工业,但是他们内心真正难以割舍的还是对纯粹数学的审美,对于人类至高智力的追求;虽然依照世俗的标准,他们已经成功,但是他们深知已经离梦想愈行愈远,因此痛哭失声。老顾深深感激他们对自己内心的真诚,却只能在心中陪着他们默默流泪。追求自然的真理是一种真正的奢侈,现代社会虽然足以保证人们衣食无忧,但是真正能够追随内心的,古往今来,又有几人?
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有几次,老顾有幸和沃尔夫奖得主Denis Sullivan聊天,Sullivan非常推崇黎曼。他说黎曼时乖命蹇,英年早逝,留下的文章不多,每一篇都很薄,但是每一篇都开创一个领域!
下面,我们讨论黎曼开创的黎曼面理论。黎曼将复变函数理论推广到曲面情形,即为黎曼面。我们首先讨论黎曼面的概念,包括全纯微分,Teichmuller空间,模空间;然后,我们以亏格为一的曲面作为例子,通过解剖这只麻雀来加深这些概念的理解。我们最终是要将这些理论转化成算法,在后继的章节中我们会逐步深入阐释。
黎曼面概念
双全纯函数
图2. Escher 效果:双全纯函数是复平面间的共形映射。
假设复值函数将 映到 ,如果函数满足所谓的柯西-黎曼方程:
则函数被称为一个全纯函数。如果函数可逆,并且逆函数也是全纯的,则函数被称为是双全纯的。
如图2所示,从微分几何角度而言,双全纯函数是共形映射。老顾在办公室桌面上放了一个相框。然后将整个办公室的照片嵌入相框。相框内部还有相框,这形成无限递归嵌套结构。然后,我们将整个复平面用一个双全纯函数进行变换,封闭的相框变成了无穷的螺旋线。但是,局部形状被完美保持,例如纸兔子,米开朗基罗的大卫雕塑,毕加索的《镜中少女》,等等。这一变换由荷兰画家埃舍尔发明,因此被称为埃舍尔效果。
柯西-黎曼方程具有更为简洁的复表示,记复算子
,
则柯西-黎曼方程等价于
。
假设映射是双全纯的,那么
,
源z-平面的黎曼度量为,目标w-平面的黎曼度量为,那么由映射诱导的拉回度量为
,
和初始度量相差一个标量函数,因此映射为共形映射,亦即保角映射。
黎曼面
图2. 黎曼面的概念。
假设是一个二维拓扑流形(曲面),配有图册, 每个局部坐标为复数坐标,记为,并且坐标变换为双全纯函数,
,
则图册被称为是一个共形图册。设都是共形图册,如果它们的并集也是共形图册,则我们说共形等价。我们可以用共形等价的关系将曲面的所有共形图册分成等价类,每一个共形等价类都被称为是一个共形结构,或者一维复结构。一个带有共形结构的拓扑曲面被称为是一个黎曼面。
黎曼度量和黎曼面
共形结构弱于黎曼度量,它可以用来测量角度,但是无法测量面积,长度。假如两条曲线在黎曼面上相交,它们的交角可以在局部坐标上测量,如果,我们在局部坐标卡上测量在处的交角,记为。同理,如果同时,我们可以同法得到在处的交角。因为坐标变换保角,我们有
,
因此曲线交角的测量值和局部坐标的选取无关。换言之,曲线的交角可以全局无歧义地定义在黎曼面上。
假设是一个可定向带黎曼度量的曲面,对于曲面上任意一点,存在一个邻域,,在上存在等温坐标:。那么等温坐标构成的图册是共形图册,被称为是由黎曼度量诱导的共形结构。换言之,所有带度量的可定向曲面都是黎曼面。
黎曼面间的全纯映射
图3. 黎曼面间的双全纯映射。
我们现在可以用黎曼面来定义共形映射。考察一个黎曼面,这里是S的复结构。复值函数被称为是亚纯函数,如果其局部表示
是亚纯函数。推而广之,假设是黎曼面之间的映射,如果每一个局部表示
都是双全纯函数。
亚纯微分
假设是黎曼面上的复微分形式,具有局部表示
,
这里是亚纯函数,是整数,则被称为是型的亚纯微分;如果是全纯函数,则被称为是全纯微分。
黎曼面上的微分形式的定义非常抽象,但是其背后具有非常丰富的几何内涵,对理解黎曼面的几何具有根本的重要性。全纯1-形式可以用于计算曲面的共形不变量,计算共形等价的曲面间的共形映射;全纯二次微分可以用于计算曲面的叶状结构,非共形等价的曲面间最接近共形映射的极值映射;固定两个黎曼面,则(-1,1)型的微分控制了曲面间的微分同胚;全纯四次微分可以用于计算曲面的实射影结构。
我们下面用亏格为一的曲面来解释如何使用全纯1-形式来计算几何问题。
拓扑轮胎模空间
图4. 亏格为一的曲面的共形模。
如图4所示,亏格为一的曲面的共形模可以通过全纯1-形式计算出来。假设小猫模型的曲面为,带有黎曼度量,诱导的共形图册记为。我们在前面的讨论中【霍奇理论 Hodge Theory(二)】,证明了调和微分形式的存在性和在每一个上同调类中的唯一性。假设是一个调和1-形式,其共轭调和1-形式为,那么
是全纯1-形式。我们选取一个特殊的全纯1-形式,满足如下条件:取曲面同伦群基底,,沿着a积分为1,
。
设沿着b积分为。
令是曲面的万有覆盖空间(universal covering space),p是投影映射。那么投影映射诱导的拉回度量为,拉回度量诱导了覆盖空间的共形结构,记为。投影映射诱导的拉回全纯1-形式为,那么在共形结构上仍然为全纯1-形式。因为是单连通的,全纯1-形式的实部和虚部都是调和的,因此是恰当的。我们定义全纯函数,固定基点,
。
如图4所示,f将万有覆盖空间共形地映到复平面上。这时,万有覆盖空间的覆盖变换群(甲板映射群)是复平面上的刚体变换群的子群,实际上是格点群,
。
格点群作用在复平面上,所得的商空间是一个平环,映射f给出了曲面到平环的共形映射。
Teichmuller空间
我们下面考虑拓扑轮胎曲面上所有可能的共形结构。假设,是两个带标记的度量曲面,标记是的一组典范同伦群基底,如果存在共形映射
并且
,
那么我们说这两个带标记的度量曲面Teichmuller等价。
我们考虑所有亏格为1的带标记的封闭度量曲面,在Teichmuller等价关系下被分成Teichmuller共形等价类。所有Teichmuller共形等价类构成的集合被称为是亏格为1的封闭曲面的Teichmuller空间,记为
。
由上讨论,我们知道所有亏格为1的带黎曼度量的曲面都和平环共形定价。每个平环的基本域是复平面上的一个平行四边形,底边是沿着a的积分,斜边沿着b的积分。经过重整化,我们可以令平行四边形的底边为1,斜边表示为一个复数,的虚部为正数,
。
这意味着拓扑轮胎的Teichmuller空间和上半复平面同胚。
模空间
假设,是两个度量曲面,如果存在共形映射
那么我们说这两个带标记的度量曲面共形等价。我们考虑所有亏格为1的封闭度量曲面,在共形等价关系下被分成共形等价类。所有共形等价类构成的集合被称为是亏格为1的封闭曲面的模空间(Moduli Space),记为
。
我们看到共形等价比Teichmuller共形等价更加宽泛:共形等价对于映射的同伦类没有要求,Teichmuller共形等价对于映射的同伦类有苛刻要求。
我们知道,曲面到自身的所有自同胚的同伦等价类构成了曲面映射类群(Mapping Class Group),记为。假设是一个自同胚,它诱导了曲面同调群之间的同构,,那么
,
所以和特殊线性群同构。设曲面基本域的形状,亦即周期是
,
在作用下,周期变成
,
重整化之后,新的周期是
。
从原来的周期到新的周期,彼此相差一个莫比乌斯变换,
,
同时我们可以看出,诱导同样的新周期。
实际上,Teichmuller空间是模空间的万有覆盖空间,由上讨论,我们知道覆盖变换群是模群(Modular Group),
。
这个群和射影特殊线性群同构。模群有两个生成元:
,
模群的表示为
。
因此拓扑轮胎的模空间等于上半平面关于射影特殊线性群的商空间,
。
图5. 拓扑轮胎的模空间。
简单计算表明,轮胎的模空间同胚于图5中的阴影区域:
我们可以看出模空间具有奇异点,因而整体不是流形,而是orifold。
总结展望
我们在这一讲,介绍了黎曼面的概念,亚纯微分的概念,以及Teichmuller空间和模空间的概念,并且以全纯微分为工具计算来明确给出拓扑轮胎的共形模,Teichmuller空间和模空间。
我们在后面的章节中会将这种方法系统地推广到其他的拓扑曲面。
【本文博客版本】http://blog.sciencenet.cn/blog-2472277-936303.html
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【老顾谈几何】邀请国内国际著名纯粹数学家,应用数学家,理论物理学家和计算机科学家,讲授现代拓扑和几何的理论,算法和应用。
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