庞加莱论文研究

庞加莱论文研究

庞加莱的研究涉及数论、代数学、几何学、拓扑学等许多领域，最重要的工作是在函数论方面。他早期的主要工作是创立自守函数理论（1878）。他引进了富克斯群和克莱因群，构造了更一般的基本域。他利用后来以他的名字命名的级数构造了自守函数，并发现这种函数作为代数函数的单值化函数的效用。1883年，庞加莱提出了一般的单值化定理（1907年，他和克贝相互独立地给出完全的证明）。同年，他进而研究一般解析函数论，研究了整函数的亏格及其与泰勒展开的系数或函数绝对值的增长率之间的关系，它同皮卡定理构成后来的整函数及亚纯函数理论发展的基础。他又是多复变函数论的先驱者之一。庞加莱为了研究行星轨道和卫星轨道的稳定性问题，在1881～1886年发表的四篇关于微分方程所确定的积分曲线的论文中，创立了微分方程的定性理论。他研究了微分方程的解在四种类型的奇点（焦点、鞍点、结点、中心）附近的性态。他提出根据解对极限环（他求出的一种特殊的封闭曲线）的关系，可以判定解的稳定性。1885年，瑞典国王奥斯卡二世设立“n体问题”奖，引起庞加莱研究天体力学问题的兴趣。他以关于当三体中的两个的质量比另一个小得多时的三体问题的周期解的论文获奖，还证明了这种限制性三体问题的周期解的数目同连续统的势一样大。这以后，他又进行了大量天体力学研究，引进了渐进展开的方法，得出严格的天体力学计算技术。庞加莱这一工作究竟给N体问题的解决以及动力系统的研究带来巨大而无比深刻的影响：第一，庞加莱证明了对于N体问题在N大于二时，不存在统一的第一积分（uniform first integral）。也就是说即使是一般的三体问题，也不可能通过发现各种不变量最终降低问题的自由度， 把问题化简成更简单可以解出来的问题，这打破了当时很多人希望找到三体问题一般的显式解的幻想。在一百年后学习微分方程课的人大多在第二个星期就从老师那里知道绝大多数微分方程是没法找到定量的解的，但一般都能从定性理论中了解更多解的性质，甚至可以通过计算机“看到”解的形状行为。而在庞加莱的年代，大多数数学家更热衷于用代数或幂函数方法找到解，使用定性方法和几何方法来讨论微分方程就是起源于庞加莱对于N体问题的研究，这彻底改变人们研究微分方程的基本想法。第二，为了研究N体问题，庞加莱发明了许多全新的数学工具。例如他完整地提出了不变积分（invariant integrals) 的概念，并且使用它证明了著名的回归定理（recurrence theorem）。另一个例子是他为了研究周期解的行为，引进了第一回归映象（first return map）的概念，在后来的动力系统理论中被称为庞加莱映象。还有象特征指数（characteristic expontents），解对参数的连续依赖性（continuous dependence of solutions with respect to parameters）等等。所有这些都成为了现代微分方程和动力系统理论中的基本概念。第三，庞加莱通过研究所谓的渐近解（asymptotic solutions），同宿轨道 (homoclinic orbits) 和异宿轨道（hetroclinic orbits），发现即使在简单的三体问题中，在这样的同宿轨道或者异宿轨道附近，方程的解的状况会非常复杂，以至于对于给定的初始条件，几乎是没有办法预测当时间趋于无穷时，这个轨道的最终命运。事实上半个世纪后，后来的数学家们发现这种现象在一般动力系统中是常见的，他们把它叫做稳定流形（stable manifold）和不稳定流形（unstable manifold）正态相交（intersects transversally）所引起的同宿纠缠（homoclinic tangle），而这种对于轨道的长时间行为的不确定性，数学家和物理学家称之为混沌（chaos）。庞加莱的发现可以说是混沌理论的开创者。庞加莱还开创了动力系统理论，1895年证明了“庞加莱回归定理”。他在天体力学方面的另一重要结果是，在引力作用下，转动流体的形状除了已知的旋转椭球体、不等轴椭球体和环状体外，还有三种庞加莱梨形体存在。庞加莱对数学物理和偏微分方程也有贡献。他用括去法（sweepingout）证明了狄利克雷问题解的存在性，这一方法后来促使位势论有新发展。他还研究拉普拉斯算子的特征值问题，给出了特征值和特征函数存在性的严格证明。他在积分方程中引进复参数方法，促进了弗雷德霍姆理论的发展。庞加莱对现代数学最重要的影响是创立组合拓扑学。1892年他发表了第一篇论文，1895～1904年，他在六篇论文中建立了组合拓扑学。他还引进贝蒂数、挠系数和基本群等重要概念，创造流形的三角剖分、单纯复合形、重心重分、对偶复合形、复合形的关联系数矩阵等工具，借助它们推广欧拉多面体定理成为欧拉—庞加莱公式，并证明流形的同调对偶定理。庞加莱的思想预示了德·拉姆定理和霍奇理论。他还提出庞加莱猜想，在“庞加莱的最后定理”中，他把限制性三体问题的周期解的存在问题，归结为满足某种条件的平面连续变换不动点的存在问题。庞加莱在数论和代数学方面的工作不多，但很有影响。他的《有理数域上的代数几何学》一书开创了丢番图方程的有理解的研究。他定义了曲线的秩数，成为丢番图几何的重要研究对象。他在代数学中引进群代数并证明其分解定理。第一次引进代数中的左理想和右理想的概念。证明了李代数第三基本定理及坎贝尔—豪斯多夫公式。还引进李代数的包络代数，并对其基加以描述，证明了庞加莱—伯克霍夫—维特定理。庞加莱对经典物理学有深入而广泛的研究，对狭义相对论的创立有贡献。早于爱因斯坦，庞加莱在1897年发表了一篇文章“The Relativity of Space”〈空间的相对性〉，其中已有狭义相对论的影子。1898年，庞加莱又发表《时间的测量》一文，提出了光速不变性假设。1902年，庞加莱阐明了相对性原理。1904年，庞加莱将洛伦兹给出的两个惯性参照系之间的坐标变换关系命名为‘洛伦兹变换’。再后来，1905年6月，庞加莱先于爱因斯坦发表了相关论文：《论电子动力学》。 他从1899年开始研究电子理论，首先认识到洛伦茨变换构成群（1904年），第二年爱因斯坦在创立狭义相对论的论文中也得出相同结果。庞加莱的哲学著作《科学与假设》、《科学的价值》、《科学与方法》也有着重大的影响。他是约定主义哲学的代表人物，认为科学公理是方便的定义或约定，可以在一切可能的约定中进行选择，但需以实验事实为依据，避开一切矛盾。在数学上，他不同意罗素、希尔伯特的观点，反对无穷集合的概念，赞成潜在的无穷，认为数学最基本的直观概念是自然数，反对把自然数归结为集合论。这使他成为直觉主义的先驱者之一。1905年，匈牙利科学院颁发一项奖金为10000金克朗的鲍尔约奖。这个奖是要奖给在过去25年为数学发展做出过最大贡献的数学家。由于庞加莱从1879年就开始从事数学研究，并在数学的几乎整个领域都做出了杰出贡献，因而此项奖又非他莫属。

什么是庞加莱猜想

庞加莱猜想（Poincaré conjecture）是法国数学家庞加莱提出的一个猜想，是克雷数学研究所悬赏的七个千禧年大奖难题。

庞加莱猜想中三维的情形被俄罗斯数学家格里戈里·佩雷尔曼于2003年左右证明。2006年，数学界最终确认佩雷尔曼的证明解决了庞加莱猜想。庞加莱猜想是一个拓扑学中带有基本意义的命题，将有助于人类更好地研究三维空间，其带来的结果将会加深人们对流形性质的认识。

扩展资料：

20世纪30年代以前，庞加莱猜想的研究只有零星几项。但突然，英国数学家怀特海（Whitehead）对这个问题产生了浓厚兴趣。他一度声称自己完成了证明，但不久就撤回了论文。但是失之东隅、收之桑榆，在这个过程中，他发现了三维流形的一些有趣的特例，这些特例被称为怀特海流形。

30年代到60年代之间，又有一些著名的数学家宣称自己解决了庞加莱猜想，著名的宾（）、哈肯（Haken）、莫伊泽（Moise）和帕帕奇拉克普罗斯（Papa-kyriakopoulos）均在其中。

参考资料来源：百度百科-庞加莱猜想

参考资料来源：百度百科-庞加莱

法国数学家庞加莱取得了哪些重大成就？

提及庞加莱关于数学创造，就不得不说起组合拓扑学。他曾在6篇论文里创造了组合拓扑学，并且，通过引进贝蒂数、挠系数和基本群等一些概念，创造流形的三角剖分、单纯复合形、重心重分、对偶复合形、复合形的关联系数矩阵等工具，并且凭借这些概念成立了欧拉—庞加莱公式，并对流形的同调对偶定理进行了证明。除此之外，庞加莱对数学方面的创造还表现在数学物理和偏微分方程方面所取得的成就。庞加莱使用括去法(sweepingout)证明了狄利克雷问题解的存在。让人感到惊喜的是，后来竟然推动位势论发展到了一个新的阶段。在1881～1886年，庞加莱发表四篇论文，内容是关于微分方程所确定的积分曲线，从而创立了微分方程的定性理论。他指出可以依据解对极限环的关系，来判定解的稳定性。 1883年，庞加莱提出了一个定理，即一般的单值化定理，并且在同一年间，庞加莱进一步的去研究一般解析函数论，他的这一研究贡献巨大，它和皮卡定理组成了整函数及亚纯函数理论发展的

难倒了无数科学天才的三体难题？

刘慈欣科幻小说《三体》中提到的三体问题，真正是人类科学家数百年来面临的一个巨大难题。从牛顿到那个时候到现在，三体问题一直就是物理学家和数学家挥之不去的噩梦。

难倒牛顿的世纪难题

自从牛顿提出万有引力定律以来，人们就很容易计算出宇宙中两个天体在引力作用下的运动情况，得到天体的运行轨道。但是，有第三个天体存在的话，情况就完全不同了，这三个天体之间的作用力关系就非常复杂以至于难以求解。而天体更多时，问题就更加复杂了。

在实际的星空中，天体系统往往由很多天体构成，比如太阳、地球、月球构成了“三体”，太阳、冥王星以及冥王星的卫星“卡戎”也构成了“三体”，只由两个天体构成的系统很少。不过，计算这些星体的运动轨道时，完全可以按照两个天体情况来计算，比如，计算地球的公转轨道，就不必考虑月球的影响；计算月球的绕地轨道，也不必考虑太阳的影响。

但是，如果真的遇到需要第三者的影响时，该如何计算呢？牛顿在攻克二体问题后，立即着手研究三体问题。但由于难度太大，他计算到头痛欲裂也没能找到答案，于是谨言慎行的牛顿没有留下任何关于这个问题的论述。

其实，计算三体运动的轨迹已经是对物理实际简化得很厉害了，只需考虑质点的运动方程，而不必考虑其他因素。科学家们在研究天体运动轨迹时，通常把天体当做一个有质量的点来看待，这就是“质点”。但是，只要研究实际的地球运动，就已经比质点复杂得多，地球别说不是点，连球形都不是，粗略看来是个赤道上胖出来一圈的椭球体。于是，在月球引力下，地球的自转轴方向就不固定，因此北极星也不会永远是那一颗（天文学家们早已算出，4800年前，北极星不是现在小熊座α星，而是天龙座α星；未来到公元4000年前后，仙王座γ星将成为北极星；到公元14000年前后，天琴座α星织女星将获得北极星的美名）。而在考虑潮汐作用时，地球都不能看成是“硬”的了，地球自转也因此越来越慢。如果把这些问题都考虑进去，那么任何方程都无法精确计算出地球的运动情况。

然而即使是极其简化了的三体问题，从牛顿那时开始，在随后的200多年中，欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、庞加莱等等数学大师们绞尽了脑汁也未能将它攻克。

千辛万苦找到特解

既然三体问题难以解决，人们就开始尝试求解一些经过简化的三体问题，即所谓的限制性三体问题。我们考虑一种情况：两个大质量天体（比如太阳和地球）相互绕转，第三个天体的质量小到可以忽略，但是这个小天体又处于两个大天体引力的影响下，这就是限制性三体运动。18世纪的法国数学家拉格朗日在这个问题上做出了突破性的贡献，他研究的是所谓的椭圆轨道限制性三体问题，椭圆轨道是宇宙中天体运动的常见轨道。

1767～1772年间，拉格朗日对限制性椭圆轨道三体运动求出了五个特解，并由此计算出5个在三体系统中引力达到平衡的所谓“拉格朗日点”，如果把物体放到三体系统的拉格朗日点上，物体会保持相对静止状态。

这5个拉格朗日点简称为L1-L5。其中，L1-L3都位于两个大天体的连线或延长线上，L1-L3都是不稳定的，也就是说，如果这个点上的物体受到外界扰动而偏离了这个位置，就不会再回到这个位置，而是日渐远离。L4和L5分别位于较小天体绕较大天体运行的轨道上，与两较大天体组成非常稳定的等边三角形。当时限于观测条件，这个计算结果无法验证，不过100多年后，天文学家在太阳系里找到了实例，那就是特洛伊小行星群，这些小行星分成两组，分别在木星-太阳系统的L4和L5上，和木星、太阳恰好组成了两个等边三角形。自然界真的是让人惊叹！

20世纪80年代，天文学家发现土星的卫星系统中存在着好几个类似的等边三角形。人们进一步发现，在自然界各种运动系统中（包括微观运动），都有拉格朗日点。甚至在地月系统中也存在，在月球轨道上，月球前后各60度同地球和月球距离成等边三角形的两个位置存在两片非常稀薄的气体云，那两片云与月球一同绕地球旋转，并永远和地球、月球保持这种等边三角形的关系。

三体系统的“蝴蝶效应”

拉格朗日找到了几个有限的特解，那么，三体问题能找到通用解吗？1885年，酷爱数学的瑞典国王奥斯卡二世悬赏征求太阳系的稳定性问题的解答，这其实是三体问题的一个变种。来自法国的一位只有33岁的年轻学者庞加莱接受了这一挑战，由于这一问题是如此的复杂，他决定也像拉格朗日从较为简单的限制性三体问题着手研究，试图突破特解，找到普遍性的通用解。

但是在研究过程中，庞加莱发现，这几乎是不可能的事。经过整整三年的努力，他断定这个问题无法完全解决，决定收工。庞加莱把自己的研究成果寄到论文评审委员会，在论文开头写了一句：“繁星无法超越。”

庞加莱没有解决三体问题，但他还是由于对这个问题作出的贡献，而于1888年获得了瑞典国王的奖金。

事情没有结束。在后续研究中，庞加莱发现，三体问题无法解决的根源在于：在三体系统中，由于引力的互相干扰，某个天体的初始数据只要有很小的变动，后来的状况可能就会有极大的不同，计算结果也会出现无数的不同，这就导致了计算结果的毫无意义。当时，庞加莱试图画出一些运动轨道，却发现那些图形复杂、混乱到无法画出的地步！

这其实是一个典型的混沌系统，混沌系统会将初始条件的最细微的差别无限放大，随着时间的推移，这最开始的一点变化会使整个系统的运动完全不同，让我们无法计算。就像那句描述混沌理论的名言：“一只巴西热带雨林中的蝴蝶扇动几下翅膀，可能在美国德克萨斯州引起一场龙卷风。”三体问题也是如此。

混沌理论是20世纪继相对论和量子力学以后基础科学的第三大重要成果，但庞加莱通过对三体问题的研究，证明了系统初始条件的敏感性，这是混沌理论最早的研究。

超出想象的星球轨道

从牛顿到庞加莱，那些天才的数学大师做了各种尝试，终于承认，不可能找到三体问题的一般解，只可能找到特殊解（特定条件下的特殊轨道）。

但是特殊解也很难得到，找到任何一类解都面临重重困难。三个物体在空间种有无数种陈列方式，必须要找到合适的初始条件（如起始点，速度等），才可以让体系重新回到起点重复运转。拉格朗日最早提出了一些解后，而直到20世纪70年代后，科学家才在现代计算机的帮助下找到了一些新解。拉格朗日发现的那种，是三个等距的物体在椭圆形轨道中旋转，和旋转木马一样；而新发现的有一种叫8字型，三个物体在8字形的轨道中相互追赶；还有一种更复杂，两个天体在轨道里层来返往复、横冲直撞，其轨迹就像一团乱麻，第三个天体却比较规矩地在外层旋转。

又经过了几十年的探索，不久之前，科学家又找到了三体问题的更多特解。这些特解的轨道都很怪异，其中有一种的轨道复杂多变，看上去就像是一大团乱糟糟的面条，不过三体从初始条件出发，经过这乱糟糟的“面条轨道”，依然能够回到初始状态。

这些奇怪的运动轨道在现实宇宙中能否找到呢？到目前为止，我们除了在太阳系中发现了拉格朗日所计算的三体类型外，其他类型都还是理论模型。科学家猜测，那些奇形怪状的三体系统只有在密集的球状星团中才可能出现，而那里的恒星太密集了，几乎没有产生行星的空间，更不要说诞生生命了。《三体》作为小说，设定一个拥有高超科技的三体文明是可以的，但没什么科学根据，小说中描述的三体行星上的景象在宇宙中是不可能出现的。

庞加莱猜想

庞加莱猜想就是：任何一个封闭的三维空间，只要它里面所有的封闭线条都可以收缩成一点，这个空间就一定是一个三维圆球。
这是法国数学家庞加莱于1904年提出的猜想。