网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

数学冰山的尖端——富克斯群,推动20世纪组合学和几何群论的发展

0
分享至



几何学的最基本的图形之一是环面,这是一个轮胎形的曲面。如果想要作一个环面,可以取一个正方形,并且先把它的一对对边,例如,上下对边粘起来,这样就得到了一个柱面,然后再把它的另外一对对边(即原来正方形的左右对边)粘起来,就得到了环面。



下面是环面的更加数学化的作法。我们从通常的(x,y)坐标平面开始,在其中作以四点(0,0),(1,0),(1,1),(0,1)为顶点的正方形,它是由坐标适合0≤x≤1,0≤y≤1的点构成的。可以在水平和铅直两个方向上移动这个正方形。如果在水平方向移动m个单位,在铅直方向上移动n个单位,这里m和n是整数,就会得到由坐标适合下面的不等式的点所成的正方形:m≤x≤m+1,n≤y≤n+1。当m和n遍取一切整数值时,这个正方形的复本就构成整个平面的一个铺砖结构(tessellation,或者说平面被铺上了砖),而在每一个坐标为整数的点,有4个正方形相会。如果把这些小正方形黑白相间地图上颜色,就会得到一个无限大的国际象棋棋盘。



要做一个环面,就需要把某些不同的点等同起来。我们说点(x,y)和(x',y')相应于某个新图形上的同一点,如果x-x',y-y'都是整数。要想看一下这个新图形究竟是什么样,就要注意,平面上的每个点都相应于原来的正方形的一个内点或边界上的点。此外,如果x和y都不是整数,则(x,y)相应于正方形的恰好一个内点。所以新图形看起来很像原来的正方形,但是(1/4,0)和(1/4,1)这两个点又如何?它们相应于新图形的同一点,原来的正方形的上下对边的相应点也都相应于新图形的同一点。所以,在新图形中,要把原来正方形的上下两边等同起来。用类似的论证知道左右两对边也要等同起来。因此当把各个点按上述规则等同以后,就得到了环面。

如果这样作出了环面,就可以这样来在环面上作图:只要在原来的正方形上作图,再把相应点等同起来就行了;正方形上的长度与环面上的长度相应,而且准确地相等。老式的滚筒印刷机就是这样工作的:滚筒上涂了油墨的图形滚过纸张,就印出了完全一样的图形。



这样,就小图形而言,环面上的几何学就是欧几里得几何学。用数学语言就说,环面上的几何学是由平面上的几何学诱导而来,所以环面是局部欧几里得的。当然,整体而言二者很不相同,例如在环面上,可以作出不能收缩为一点的封闭曲线,而在平面上就不会有这种事情。

还要注意,我们引进了一个群来为我们完成了大部分工作。在现在的情况,这个群就是整数对(m,n)所成的群,而定义



环面和球面只不过是无穷多种以下的曲面中的两个例子,这些曲面是封闭的(就是说,没有边缘),又是紧的(就是说它们在任何意义下也不会走向无穷)。其他的例子则有:两个孔的环面,以及更一般的具有n个孔的环面(即亏格为2,3,4,…的曲面)。要想类似地生成这些曲面,就要用到富克斯群(Fuchsian Groups)。

在数学中,特别是在复分析和代数几何中,"亏格"(genus)是一个用于描述曲面拓扑类型的重要参数。对于紧致的,连通的,定向的二维实曲面(或者等价的,复一维的Riemann曲面),它的亏格定义为它的"手柄"的个数。形象地说,亏格为0的曲面类似于球面,亏格为1的曲面类似于甜甜圈(或称之为圆环面),亏格为2的曲面类似于有两个洞的甜甜圈,等等。
亏格是一个拓扑不变量,也就是说,如果两个曲面可以通过连续的弯曲和拉伸,而无需撕裂或者粘贴,从一个变为另一个,那么这两个曲面的亏格就是相同的。

我们自然会期望,利用多于4边的多边形就能得出其他曲面。结果是,如果利用8边形,例如正8边形,并把边1和3粘在一起,2和4粘在一起,5和7粘在一起,6和8粘在一起,就会得到一个具有两个孔的环面。我们怎样用群来做这件事,就如刚才对于环面所做的那样?为此我们需要有一种方法,把许多8边形连到一起,使得它们只在边上相接。问题在于我们不能用8边形来作出平面的铺砖结构:正8边形的顶角为135°。这个角太大了,不可能把8个正8边形在一点粘到一起。

这里前进的道路是采用双曲几何学来代替欧几里得几何学。但是,我们可以徒手来做这件事。在复平面上取单位圆盘



取所谓莫比乌斯变换的群,而莫比乌斯变换,就是形如



的映射,经过常规的计算就知道,这些变化把圆周和直线映为圆周和直线(这两种曲线要视为同一种,所以圆周也可以被映为直线,或者相反),它们把角映为大小相等,而且方向也相同的角。还有一些变换是把角映为大小相等但符号相反的角,好像平面上的反射那样,如果取把D映为自身的莫比乌斯变换,就得到一个群,记为G。事实上,我们已经很接近于富克斯群了。

我们要找一个图形,使它在这里起到正方形在欧几里得平面上所起的作用。正如我们在上面把圆周和直线视为相同曲线一样,现在视D的直径和垂直于D的边缘的圆弧为相同的曲线,则G中的元素映垂直于D的边缘的圆弧(包括直径)为垂直于D的边缘的圆弧(包括直径)。

我们以后就以垂直于D的边缘的圆弧(包括直径)为直线,其实是非欧几里得的直线,并以8条这样的非欧几里得直线为边作出(非欧几里得)八边形。这种八边形的作法有许多,我们要选择最具对称性的一种,使得以后事情更加容易。即要画一个以D的中心为心的“正八边形”。这里还有进一步选择的余地,因为按照双曲几何学中多边形的角的亏值正比于其面积的著名定理,八边形面积越大,其顶角就越小,我们要画的是顶角为π/4的正八边形,这样一来就可以让8个这样的正八边形汇聚在一个顶点处,这就是我们需要的正八边形。如果我们把不同的多边形在不同位置的相应的点等同起来,所得的图形就是一个亏格为2的黎曼曲面。

黎曼曲面(Riemann Surface)是复分析和微分几何中的一个基本概念。它是一种特殊的二维复流形,可以被看作是一系列复平面(或者称为“图表”)按照某种规则拼接而成的空间。

富克斯群就是群G(即变D为其自身的莫比乌斯变换所成的群)的这样的元所成的子群。这些元能把上面得到的正八边形“整块地”移动,使得我们就能做出D的一个铺砖结构。和在环面的情况一样,现在也有了等价点(即在不同“砖块”中占有相应位置上的点)的概念,当把等价的点等同起来以后,就会得到最前面说的把多边形的不同的边粘连起来得到的图形。这就是我们需要的图形。

所有这些都可以用双曲几何学的语言来描述。我们得到的将是双曲几何学的圆盘模型,它也可以用D上的一种黎曼度量来定义,这个度量就是



G的元素将把图形在D中移来移去,但保持双曲距离不变。由此可知,在新的曲面(即把不同的对应点等同起来得到的图形)上得到的几何学是局部双曲的几何学,正如在环面上得到的几何学是局部欧几里得几何学一样。

因此,如果从正4n(n>2)边形开始,并按上面的方法进行,就会得到亏格为n的黎曼曲面,但是数学家们能做的事情还更多,如果回到平面,但是不从正方形开始,而从矩形开始,或者更加一般地从平行四边形开始,想要看出上面的做法可以继续实行下去,这不算太难。事实上,如果从一个适当的角度来看平面,而不是从平面的铅直上方来看这个平面,则正方形也就会变成任意选择的平行四边形(可能会放大或缩小一点)。

如果用的是平行四边形,仍然会得到一个环面,不过与最早得到的环面不同,其区别正如正方形和平行四边形的区别一样:顶角的大小发生了变化。下面是一个不算是完全平凡不足道的习题:证明平行四边形的保持顶角大小不变的映射只能是相似变换(就是在两个独立的方向上缩放的比例相同,从而在一切方向上缩放比例相同的变换)。所以得出的环面在什么角度上有不同的意义,就是说,这样得出的环面与原来的环面有不同的共形结构。

在双曲圆盘上也会发生同样的事。如果取一个4n边多边形(它的边是一段测地线),而且其边长成对地相等,并能找到一个群,其元素能把这些多边形成块地移动,使得适当的边准确地相配,则又会得到一个黎曼曲面。但是,若这些多边形不是共形等价的,则所得黎曼曲面也会有不同的共形结构。甚至还可以向前再走一步,允许某些顶点位于圆盘的边缘上,这时,多边形的相应的边的长度在双曲度量下将会是无穷大。这样得到的图形是“挖掉一点”的黎曼曲面,而数学家们又可以改变它的共形结构。

富克斯群的基本重要性来自单值化定理,这个定理指出,除了最简单的以外,所有的黎曼曲面都是按照上述方式来自某个富克斯群,这里面包括了所有亏格大于1的黎曼曲面和所有亏格为1但挖掉了一点的黎曼曲面,并允许它们具有任意可能的共形结构。



富克斯群这个名词是庞加菜在1881年给出的,那时,他正在研究超几何方程和相关的微分方程,而这是受到了德国数学家富克斯(Immanuel Lazarus Fuchs)的工作的启发。克莱因提出了抗议,认为以施瓦兹命名更好,庞加莱在读了施瓦兹相关的文章以后,本来也准备同意这样做,但是那时,富克斯也已经赞成用这个名字。但是克莱因的抗议有点过分,于是庞加莱又把研究3维单位球体的共形映射所产生的一个类似的群公开称为克莱因群。这些名字一直沿用至今。但是克莱因群的研究要困难得多,而克莱因和庞加莱对此都没有能做多少事情。但是每一个黎曼曲面都来自球面或者欧几里得平面或者双曲平面,这是他们二人都具有的猜测。但是严格的证明,直到1907年才由庞加莱和寇贝独立地给出。

富克斯群的形式定义如下:所有莫比乌斯变换所成的群的一个子群H称为不连续作用的,如果对于圆盘D的每一个紧集合K,h(K)和K都是互相分离的,除了对于有限多个h∈H例外。富克斯群就是所有的不连续作用于D的莫比乌斯变换所成的群。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
再爆出轨,谁在搞死黄仁勋?

再爆出轨,谁在搞死黄仁勋?

热辣茉莉说
2026-11-12 09:31:14
大哥和女主播奔现遭遇乔碧萝事件:女主真人颜值身材反差太大俩人撕起来了

大哥和女主播奔现遭遇乔碧萝事件:女主真人颜值身材反差太大俩人撕起来了

不二表姐
2026-11-13 02:03:42
比亚迪搞了个“原子弹”!950km续航+兆瓦闪充,连续4个月销量破万

比亚迪搞了个“原子弹”!950km续航+兆瓦闪充,连续4个月销量破万

隔壁说车老王
2026-11-12 05:40:51
随着湖人7连胜,马刺10连胜!西部最新排名出炉,勇士太难了

随着湖人7连胜,马刺10连胜!西部最新排名出炉,勇士太难了

微评体育圈
2026-11-12 15:04:44
CBA新动态:300万续约徐杰,广东同时等萨姆纳回归,来势汹汹!

CBA新动态:300万续约徐杰,广东同时等萨姆纳回归,来势汹汹!

体坛侃侃球
2026-11-12 00:05:18
红四方面军成立时,核心班底竟全是二三十岁的年轻人!

红四方面军成立时,核心班底竟全是二三十岁的年轻人!

犟种美食
2026-11-11 16:57:29
这届新秀太狠了!排名第一场均26.2分9.7篮板7.3助攻1.9抢断1.8封盖!

这届新秀太狠了!排名第一场均26.2分9.7篮板7.3助攻1.9抢断1.8封盖!

篮球大图
2026-11-12 10:27:40
万亿银行,被5.5亿烂账逼急了

万亿银行,被5.5亿烂账逼急了

财通社
2026-11-12 22:56:28
美国大编“间谍”剧本、卡中国芯片,怕的是间谍,还是怕中国追上来?

美国大编“间谍”剧本、卡中国芯片,怕的是间谍,还是怕中国追上来?

华山穹剑
2026-11-12 23:02:56
4女共侍1夫仅皮毛!送妻应酬、当众拖进厕所,圈内人再爆猛料

4女共侍1夫仅皮毛!送妻应酬、当众拖进厕所,圈内人再爆猛料

古事寻踪记
2026-10-26 11:34:59
英伟达CEO黄仁勋辞职,CFO接任过渡CEO

英伟达CEO黄仁勋辞职,CFO接任过渡CEO

鞭牛士
2026-11-12 22:04:09
我们正目睹乔布斯后科技史上最严重的逼宫

我们正目睹乔布斯后科技史上最严重的逼宫

爱范儿
2026-11-12 08:57:39
43架歼20、16架空警500,空军演习随手一出,比美军实战还要阔绰

43架歼20、16架空警500,空军演习随手一出,比美军实战还要阔绰

巅峰高地
2026-11-12 19:14:36
十世班禅灵童接连暴毙,中央三次调整认选方案始末揭秘

十世班禅灵童接连暴毙,中央三次调整认选方案始末揭秘

史不语
2026-11-11 17:13:20
王楚钦父亲身份曝光,既不是苦情寒门,也不是大家口中养尊处优的富二代少爷

王楚钦父亲身份曝光,既不是苦情寒门,也不是大家口中养尊处优的富二代少爷

晚风停靠站
2026-11-11 20:48:53
杨利伟退休待遇揭秘:没有巨额奖金,只有 “终身金钟罩”。

杨利伟退休待遇揭秘:没有巨额奖金,只有 “终身金钟罩”。

莫地方
2026-10-29 12:43:42
连输11局!28岁萨巴伦卡情绪失控当众怒吼 主持人吐槽:疯了?

连输11局!28岁萨巴伦卡情绪失控当众怒吼 主持人吐槽:疯了?

风过乡
2026-11-12 08:23:31
不是景甜舍不得3000万,查了下才知道,原来她穷得日子也不好过

不是景甜舍不得3000万,查了下才知道,原来她穷得日子也不好过

天天热点见闻
2026-08-29 08:53:35
希望越大,失望就越大!新赛季表现最令人失望的4支球队:掘金热火退出争冠行列,奇才继续沉沦

希望越大,失望就越大!新赛季表现最令人失望的4支球队:掘金热火退出争冠行列,奇才继续沉沦

兵哥篮球故事
2026-11-12 21:24:09
政治人物乘机不安检,航班半路被勒令返航

政治人物乘机不安检,航班半路被勒令返航

窗帘拉开
2026-11-12 19:50:03
2026-11-13 04:39:00
老胡说科学 incentive-icons
老胡说科学
科学如此美妙,我想让你知道
1231文章数 33538关注度
往期回顾 全部

教育要闻

惠州最好的五所高中TOP5

头条要闻

小伙疑遭拘禁殴打20天瘦至60斤 被解救送回家次日死亡

头条要闻

小伙疑遭拘禁殴打20天瘦至60斤 被解救送回家次日死亡

体育要闻

库里已前往医院接受MRI 专家预测伤停2周

娱乐要闻

空军生日当天,央视公开“点名”肖战

财经要闻

黄仁勋,辞职

科技要闻

突发!黄仁勋辞职,英伟达CFO临时接任

汽车要闻

埃安Ray7上市限时11.47万元起 702km续航/L4同源智驾

态度原创

手机
数码
本地
公开课
军事航空

手机要闻

华为Mate X8本月发布是误传,窗口在下月,顶配多了一张防窥屏

数码要闻

米物推出Neoseek Pure 10新国标22.5W自带线磁吸移动电源:15W无线+ 2C设计,169元

本地新闻

乌兰察布:以前种土豆,现在种Token

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

军事要闻

俄乌宣告达成换俘协议

无障碍浏览 进入关怀版