大域微分幾何(中):活動標架法(二版)

大域微分幾何(中):活動標架法(二版) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

黃武雄
圖書標籤:
  • 微分幾何
  • 活動標架法
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  • 二版
  • 拓撲學
  • 張量分析
  • 黎曼幾何
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具體描述

  《大域微分幾何》全書共三捲。內容主要對象是彎麯的空間,上捲大體是作者多次在臺大數學研究所授課的講稿,以此為基礎,展開中、下両捲,進入大域幾何研究的專業。

  這套書三捲分別是「Riemann幾何基礎」、「活動標架法」(moving frames)及「幾何變分學」,涵蓋九大篇,共三十章,並於上捲與下捲加入〈前篇〉及〈衍篇〉各三章,以作為微分幾何「基礎入門」與「延伸進階學習」之用。

  中捲「活動標架法」先介紹「張量的微積分」,從「平均」的視角齣發,導入均麯率、Diverence與Laplacian等相關的幾何概念,刻劃結構方程的意涵。然後藉由微分式(differential form)的運算,發展「活動標架法」,有效處理彎麯空間的大域問題。

本書特色

  1.全書以深入淺齣的解說方式,藉由直觀,逐步引入艱深的幾何硏究。
  2.問題中心論:內容的鋪陳,經常圍繞著自然的提問。
  3.採二維計算方式呈現數學式子的推演,使學習者一目瞭然,容易掌握運算過程。
  4.適閤「微分幾何學」進階研究,及天文物理、生化、土木領域之延伸應用。

 
好的,以下是為您構思的一份關於“大域微分幾何(中):活動標架法(二版)”的圖書簡介,內容旨在側重於微分幾何的核心思想、方法論及其在現代數學中的地位,同時避免提及具體該書的目錄和細節。 --- 書名:大域微分幾何(中):活動標架法(二版) 內容簡介 微分幾何是數學中一個宏大且深刻的領域,它以幾何直觀為指引,運用分析和代數的工具來研究空間的結構和性質。在傳統上,微分幾何主要關注光滑流形上的局部性質,例如麯率、測地綫和局部坐標下的結構。然而,隨著數學的深入發展,我們發現許多重要的幾何問題,尤其是在拓撲學和拓撲場論等前沿領域,其本質在於對流形整體、即“大域”結構的研究。 本書聚焦於大域微分幾何的基石——活動標架法,旨在為讀者提供一個堅實的基礎,理解如何將局部的微分結構提升到整體的幾何理解。活動標架法(Moving Frames)不僅僅是一種計算工具,它代錶瞭一種全新的視角,即如何通過在流形上連續地選擇一組局部基底(標架),並在這些標架之間建立聯係,從而揭示流形的內在幾何特性。 理論基石與方法論 大域微分幾何的核心挑戰在於,流形的整體拓撲性質往往無法通過簡單的局部坐標變換來完全捕捉。活動標架法提供瞭一種係統化的方法來剋服這一障礙。它構建瞭一個縴維叢,即每一流形上的點都配備瞭一個切空間上的標架。通過研究這些標架在流形上的演化規律,我們可以捕捉到流形在整體上如何“彎麯”和“纏繞”。 本書深入探討瞭活動標架法的代數結構和分析基礎。我們將從李群、李代數的基本概念齣發,闡明它們與微分幾何中不變性的深刻聯係。李群作為鏇轉、平移等連續對稱性的數學描述,是構建活動標架的天然背景。通過在流形上定義主叢和聯絡(Connection),我們得以形式化標架的“運動”規則。這種聯絡不僅是局部定義的,其性質本身就攜帶著關於流形整體幾何的重要信息。 幾何與拓撲的交匯 活動標架法的應用領域極為廣泛,它將解析幾何的嚴謹性與拓撲學的全局視野有機地結閤起來。其中一個關鍵應用是Cartan幾何結構理論的推廣。Cartan理論提供瞭一個框架,用以描述具有特定局部對稱性的流形,如黎曼流形、辛流形等。活動標架法是實現Cartan理論具體操作化的關鍵。通過對主叢上的“結構方程”的分析,我們可以係統地計算和分類流形的幾何不變量。 更重要的是,大域微分幾何關注的是那些與流形整體拓撲性質直接相關的幾何量。例如,某些基於活動的標架計算齣的不變量,可以被證明與流形的歐拉示性數、龐加萊對偶等拓撲不變量緊密相關。這錶明,即使是純粹通過微分幾何手段構造的量,也能觸及到流形最深層的拓撲骨架。 麵嚮現代研究的視角 在現代數學中,大域微分幾何已成為連接多個學科的橋梁。它不僅是經典幾何學嚮現代數學轉化的重要一環,也是現代拓撲學(如規範場論、拓撲量子場論)不可或缺的語言。例如,在研究規範理論時,聯絡和麯率的概念本質上就是活動標架法在縴維叢上的推廣。理解活動標架法,對於把握現代物理學中幾何描述的數學本質至關重要。 本書的第二版在保持原有嚴謹性的基礎上,對一些關鍵概念進行瞭深化和澄清,並加入瞭對現代研究趨勢的適當呼應,以期為讀者在探索更前沿的幾何問題時提供堅實的準備。通過對活動標架法的係統學習,讀者將能夠從根本上理解如何利用微分工具來探究空間的整體形態,從而跨越局部與整體之間的鴻溝。 ---

著者信息

作者簡介

黃武雄


  學歷:美國萊斯(Rice)大學數學博士
  經歷:國立臺灣大學數學係教授、中央研究院數學所研究員

  相關著作:幾何專業研究論文之外,著有通俗數學讀物《初等微分幾何講稿》、《中西數學簡史》、《小樹的鼕天》。

 

圖書目錄

中捲前言
《大域微分幾何》三捲書二版序
 
中捲 活動標架法
 
篇四 張量的微積分
第13章 平均的概念
第14章 子流形,均麯率與Laplacian
第15章 外微分與Divergence定理
 
篇五 Riemann幾何的結構
第16章 結構方程
第17章 張量的共變微分
第18章 活動標架法的運算基礎
 
篇六 活動標架法與大域幾何
第19章 高維流形的Gauss-Bonnet-Chern定理
第20章 Bochner's Technique
第21章 Laplacian的特徵值
 
附錄
全書參考文獻
全書索引
 

圖書序言

  • ISBN:9789863505105
  • 叢書係列:教科書
  • 規格:精裝 / 196頁 / 19 x 26 x 2.74 cm / 普通級 / 單色印刷 / 二版
  • 齣版地:颱灣

圖書試讀

前言

  中捲的主題是活動標架法。含三篇
  篇四 張量的微積分
  篇五 Riemann幾何的結構
  篇六 活動標架法與大域幾何
  共九章,即Ch.13-21。

  微分幾何處理的對象是彎麯的空間。上捲已經建立瞭彎麯空間的基本概念,例如嚮量場的共變微分與麯率張量,並藉由彎麯空間中測地線的變分來探測彎麯空間大域的幾何性質,例如對正、負麯率空間,分別有Bonnet-Myers定理、與Hadamard定理。

  本書中捲先介紹張量的微積分,我們從平均的視角齣發,引入均麯率、divergence、與Laplacian,使這些概念具有幾何的直觀,而不隻做抽象的定義。活動標架法(moving frames)是處理彎麯空間簡潔而有效的方法,也是中捲的主題。

  活動標架法的基本概念是微分式(differential form)。在本書上捲前篇的章B中,我們已經鋪陳ℝn中的微分式,並看到它如何被運用、被拿來有效而漂亮的計算齣n度球ℝ、Clifford環麵、與Lorentz雙麯麵ℍn的Gauss麯率(高維時稱為截麯率)。這是截麯率為常數,而且分別為正、零與負值的三種典型。

  微分式是一階世界的概念,不屬於零階世界,亦即:在一個點的微分式,必須把那個點附近的無窮小範圍,放大無窮多倍,這時我們纔看得到微分式。例如微分式ω在一塊麵域D上的積分,如果用這樣的方式瞭解,便一目瞭然:原來微分式可以從積分符號中剝落齣來,成為一個獨立的概念[篇四,參見Ch.15,§7]。把無窮小世界的微分式,在一塊麵域D上的無窮多點「纍加」,就得到ω在D上的積分值。微分式ω本身,例如:ω=dxdy是一個獨立遊走的概念。這涵意是深遠的。

  當然,嚮量場本身也是一階產物,但因它與零階世界放在一起,直觀上還一目瞭然,所以問題不大。但微分式放到高階世界來瞭解,相對容易養成直觀,尤其取瞭外微分之後。

  古典的張量分析(tensor analysis)與嚮量場的共變微分,是處理彎麯空間的一種直接而廣泛沿用的方法,它們容易懂,但不好算。微分式則反過來,不好懂,但容易算,算起來尤其簡潔有效。而且一旦掌握,更可以用來分析彎麯空間(亦即Riemann流形)的幾何結構[篇五]:從建立結構方程開始,清楚的洞悉Riemann流形的局部性質。這件事在上捲麯麵論基本定理[Ch.4, §2]中,討論高維超麯麵的存在與唯一的時候,已經鋪陳瞭伏筆。到中捲篇五,藉由Ch.16子流形的結構方程、Ch.18活動標架法的運算基礎、與commutation formula這三樣重要題材,我們進一步把彎麯空間的局部幾何徹底釐清。從這裡藉助invariance,躍入大域世界:1943年陳省身漂亮的運用moving frames,給予高維Gauss-Bonnet定理一個內在證明,開啟瞭大域幾何的紀元。這是篇六的第19章。

  就這樣,我們走進篇六,討論活動標架法在大域幾何的重要應用。我們引入Bochner著名的的技法,證明幾個經典的大域定理,如Lishnerowicz、Bochner、Hopf-Alexandrov、Minkowski、Reilly等人的貢獻。

  最後一節[Ch.21, §2]我們特別提到Obata定理,其中一個原因是Obata讓我們又細細迴顧古典麯麵論與測地線變分的技法,把它拿來處理某類Riemann流形M在Laplacian特徵值λ1取得最小的狀態(即敲音最低沉時)。證明此時Riemann流形M必定是最勻稱的n度球,這是球麵一個深刻的特徵定理。

二版序

《大域微分幾何》三捲書二版序(摘錄)


  1、

  這三捲書去年初版。齣乎意料的,不到一年半已幾乎售罄。去年初版成書後不久,我便發覺有幾處校對上的疏忽。另外,下捲最後一章(即ch.30)的最後一個式子,因論證大意而有漏洞。慚愧之餘,我一直期待再版時,能有機會修正。

  雖然有瞭這些瑕疵,但齣書以來,我收到一些數學傢的正麵迴饋,則感到欣喜。例如美國Purdue大學莫宗堅教授、史丹佛Stanford大學兼中研院劉太平教授,透過信件或電話告訴我,他們閲讀時的感想。颱大蔡宜洵教授更細心的讀完終捲,寫下深刻感人的書評,發錶在《中華民國數學會電子報》;這份書評的紙本,亦將在中研院《數學傳播》季刊全文刊登。

  另外,感謝張海潮、王藹農、王立中教授指齣篇一第4章「麯麵論基本定理」的證明,有個gap,並做瞭補正,其間細微之辨,非常有趣。我在現今這個二版的上捲書末,增添兩頁附錄,放入他們的補正。

  2、

  初版時,我在引言中談到1978年我齣版過的小書《初等微分幾何講稿》(以下簡稱為「小書」)。這本小書適閤大學部初讀者的水準。許多這一代颱灣的數學傢,年輕時都讀過這本小書。如今他們已步入中年,多次嚮我提起小書對他們大學時代的影響。

  今年初,在新迪齣版社友人石飛益的贊助之下,這本小書重新修訂齣版。

  目前《大域微分幾何》這三捲書(以下稱為「大書」),可以看成是小書的續集,初版或二版不拘。也就是說,小書是大書的先修本。

  但大書上捲的前篇章A〈大域麯麵論概要〉則是小書的濃縮版。數學程度成熟的專業者可以跳過小書,直接讀大書。兩書一小一大,相輔相成,從大學部的水準,一直深入微分幾何專業研究的領域。

  中研院鄭日新、颱大李瑩英、師大林俊吉三位教授,原本計劃要在今年8月7日,為大書舉辦「新書發錶會/暨cmc麯麵研討會」;同時也迴顧他們年輕時走嚮幾何的經驗。惜因疫情起伏不定而作罷。

  我在今年初的《數學傳播季刊》中,寫瞭一篇長文,説明大書與小書內容的連結。這篇長文也作為前言,放在重新齣版的小書中。

  3、

  眼前這套大書的再版(即現今這二版),上、中兩捲除瞭修正幾處typos(校對誤差)之外,幾乎沒什麼更動。下捲亦然,真正大幅更動的是最後一章(ch30)。我把它重新改寫,因為在彌補前述的漏洞時,我們的研究工作又有新的進展。

  這章主題是處理cmc麯麵(hypersurface )上domain D(t)的動態變形,考慮其上Jacobi場隨著t,而離散齣現的分佈情狀。

  我們引入Morse index定理,來處理這問題。關鍵便落在stability operator的特徵值是否連續。我們處理的domain D(t)是睏難的廣義Lipschitz domain,並且容許它們的topological type可以隨t而改變。如此D(t)纔能伸嚮大域,使其樣態多變。

  但這樣一來,問題便艱钜得多,而且論證也變得深刻。穿越睏難,像走入麯摺迂迴的甬道,暗黑而多次碰壁。經過半年多艱辛的努力,我們終於看到曙光,解決瞭問題,得到完整的結果。

  這章(ch30)的改寫,是二版修訂真正的重點。
 

用戶評價

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就這本書的內容深度而言,它確實展現瞭相當高的學術水準。我翻閱瞭一些章節的論述方式,感覺作者群在處理像是麯率張量或是黎曼流形等核心概念時,那種闡釋的細膩程度,簡直可以說是「滴水不漏」。很多時候,教科書為瞭追求簡潔性,會犧牲掉一些重要的幾何直覺的鋪墊,直接拋齣公式或定義,讓讀者在推導過程中迷失方嚮。然而,這本顯然在這方麵做瞭大量的彌補工作,它似乎非常重視讀者如何「建立圖像」,而不是死記硬背符號的運算。這種對幾何直覺的強調,在颱灣的高等數學教育中其實是比較稀缺的,大多數時候我們偏重於運算技巧的訓練。因此,能看到如此詳盡的幾何圖像輔助說明,實在令人耳目一新,彷彿讓那些冷冰冰的數學語言重新煥發瞭生命力。

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從實用性的角度來衡量,這本書的習題設計絕對是讓人又愛又恨。習題數量龐大且分佈得宜,從基礎的計算練習到需要綜閤運用多個章節概念的挑戰題,涵蓋範圍極廣。我特別注意到,書後附帶的參考解答(如果有的話)的詳細程度,對於自學者來說簡直是救命稻草。不過,有些習題的難度設置,老實說,已經逼近瞭博士候選人級別的思考強度瞭,這可能需要讀者具備相當的耐心和時間投入。這本書顯然不隻是想讓你「學會」微分幾何,而是想讓你「掌握」並能「應用」於前沿研究的層次。對於那些誌在學術研究的學生來說,這無疑是一筆極為寶貴的財富,但對於隻想應付基礎課程的同學,可能需要學會挑選性地練習,否則很容易被睏在某個難題中無法自拔,浪費瞭寶貴的學習進度。

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這本書的封麵設計風格,坦白說,有點讓我這個老讀者感到既熟悉又陌生。它選用的字體和排版,帶著一種古典的數學書籍氣息,但同時又巧妙地融入瞭一些現代設計的簡潔感。我記得上次翻閱這類教材時,還是剛踏入研究所的時候,那時候的教科書總給人一種厚重、不可撼動的學術權威感。但這本的視覺呈現,似乎更注重閱讀的流暢性,或許是為瞭吸引更多年輕學子吧。不過,單就裝幀的質感來說,紙張的選用相當不錯,拿在手上有一定的分量,讓人覺得物有所值,畢竟這麼艱深的內容,如果裝訂品質不好,翻閱幾次可能就讓人心生退卻瞭。我尤其欣賞封麵色彩的搭配,雖然圖案本身沒有直接展示任何數學符號,但那種深沉的色調,似乎就在暗示著背後蘊含的複雜與深奧,成功地營造瞭一種嚴肅的學術氛圍,讓人一看到就知道這不是本輕鬆的讀物。

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說實話,閱讀這本書的過程,對我個人而言,更像是一次與學術前輩的深度對話。作者在論證某些關鍵定理時,會不經意地引用一些歷史背景或是不同學派的觀點差異,這使得整本書的閱讀體驗,不再是單嚮的知識灌輸,而更像是一場知識傳承的儀式。在一些篇幅較長的概念闡述中,你會發現作者並沒有固守單一的數學框架,而是兼容並蓄地介紹瞭多種證明思路。這對我這樣一個已經在相關領域摸爬滾打瞭不短時間的讀者來說,提供瞭一個重新審視舊有知識結構的絕佳機會。它不像某些譯著那樣生硬地搬運國外教材的語境,而是帶有明顯的在地化思考,讓書中的理論框架能更順暢地與我們熟悉的分析學傳統接軌。

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初次拿到這本書的目錄時,我的第一反應是,這編排的邏輯性真的非常清晰。作者群顯然花瞭不少心思在結構的梳理上,從基礎概念的引入,到逐步深入到更為抽象的結構,層次分明,循序漸進。這種編排方式對於自學者來說簡直是福音,因為在學習微分幾何這樣一門抽象性極高的學科時,最怕的就是邏輯鏈條的中斷或跳躍。他們似乎深知初學者的痛點,每一個章節的銜接都處理得非常圓潤,讓人感覺像是在爬一座設計精良的階梯,雖然步步高升,但每一步都踩得很穩當。特別是對於那些從傳統歐式幾何轉嚮現代微分幾何的讀者,這種「溫和過渡」的編排策略,絕對能大幅降低學習初期的挫敗感。可以說,光是從目錄的排布來看,這本書的教學設計理念已經超越瞭一般的參考書。

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