港珠澳大桥论文的参考文献

1978年，数学家约翰·麦凯（John McKay）注意到了某些奇怪巧合般的现象。当时，他正在研究一类神秘难解的单群，并试图探究其结构的不同表达式——这类散在单群有着所有已知散在单群中最大的阶数，数学家们称它为“魔群”（Monster Group），他相信“魔群”中隐藏着一些新的对称规律。不过，那时的数学家们并不能确定“魔群”是否真实存在，但是他们知道，如果真能找到符合条件的“魔群”，它们一定有着特定的阶数，最小的阶数是1，随后是196883。

麦凯当时正在加拿大蒙特利尔的康考迪亚大学，有一天他碰巧看到一篇有关完全不同领域的数学论文，论文中讨论的是数论中的基本对象之一——J函数。麦凯敏锐地注意到J函数的第一个重要系数是196884，他马上想到这是魔群前两位特殊阶数（1和196883）的数量之和。

不过对于这个发现，大多数数学家都认为只是偶然现象，毕竟魔群和J函数简直就是风马牛不相及的两个事物。但凡事总有例外——数学家约翰·汤普森（John Thompson）注意到了魔群和J函数之间奇妙的联系，并将这个发现又向前推进了一步。汤普森教授现在正在美国佛罗里达大学，他是1970年菲尔兹奖（Fields Medal）的获得者。汤普森教授发现了J函数的第二个系数：21493760，居然是魔群前三个特殊阶数的数值和:1 + 196883 + 21296876。到了这个地步，人们不禁怀疑，J函数在某种程度上可以“约束”捉摸不定的魔群结构。

菲尔兹奖，正式名称为国际杰出数学发现奖（The International Medals for Outstanding Discoveries in Mathematics），每四年评选2~4名有卓越贡献且年龄不超过40岁的数学家，被认为是年轻数学家的最高荣誉，和阿贝尔奖均被称为数学界的诺贝尔奖。

很快，另两名数学家又证实了许多类似的数学上的联系，这让数学家们意识到这些现象绝非单纯的巧合。1979年，在一篇名为《魔群月光》（Monstrous Moonshine）的论文里，约翰·康威（John Conway，现为普林斯顿大学数学教授）和西蒙·诺顿（Simon Norton，剑桥大学数学教授）一同推测，这些数学上的相关性，必定来自于模群与J函数在更深层次上的联系。“他们将这个猜想命名为‘月光’，不是因为这个猜想富有浪漫色彩，而是指这个猜想是那么地可望而不可即。”德国马普数学研究所主任唐·扎吉尔（Don Zagier）这么说道，“在当时看来，这个猜想简直就是空谈和妄想，指望有人能证明它不过是一厢情愿罢了。”

实际上就连构建魔群本身，花去的时间也远比数学家们所计划的长得多，不过数学家们给自己找到了一个非常好的借口：魔群中包含的元素数目超过了10的53次方，这个数字比地球上所有原子的1000倍还要多。在1992年，也就是密歇根大学的罗伯特·格里斯（Robert Griess）构建出魔群的十周年之际，加州大学伯克利分校数学系教授理查·博赫兹（Richard Borcherds）终于揭开了过去那个遥不可及的“月光”幻想的神秘面纱，并凭此获得了1998年的菲尔兹奖。博赫兹证实，在魔群和J函数这两个完全不同的数学领域之间确实存在着一个连接的桥梁，这个桥梁可能会让你有些惊讶，它的名字是：弦理论。这个与常识相悖的理论告诉我们，宇宙中存在着许多微小的隐藏维度，微小到人们根本无法直接探测到它们；而在这些维度之中存在着“弦”，这些弦的振动能产生我们在宏观尺度下观察到的物理现象。

博赫兹教授的发现在纯粹数学（专门研究数学本身，不以应用为目的的学问）领域引发了一场革命，开创了领域中一个全新的分支——广义卡茨-穆迪代数（generalized Kac-Moody algebras）。只不过从弦理论的角度来看，这些发现不过是一潭无关大局的死水罢了。联系着J函数和魔群的24维弦理论模型与弦理论真正的研究热点相距甚远。“虽然我承认从数学的角度来看，发现了两者（J函数和魔群）间的联系纽带或许是令人振奋的，但是对大多数物理学家而言，这个发现就像是弦理论中一个毫不起眼的犄角旮旯。”斯坦福大学的弦理论物理学家沙米特·卡赫鲁（Shamit Kachru）这么告诉我们。

然而令人欣喜的是，现今“魔群月光”正在经历一场复兴革命，人们相信它的深处蕴藏着最终能够帮助弦理论研究的启示。在过去的五年内，从类似麦凯的研究起步，数学家们和物理学家们渐渐察觉到，象征着魔群和J函数联系的猜想——“魔群月光”仅仅只是整个故事的开始。

2015年，研究者在论文预印本网站arxiv.org上发表了一篇论文，展示了一系列被他们称为“伴影月光猜想”（Umbral moonshine conjecture，构想于2012年）的数学证据。在这篇论文中，研究者提出在“魔群月光猜想”（魔群和J函数之间存在联系）之外，还存在着其他23种不同的“月光猜想”：即在对称群的阶数和一些特殊函数的系数之间，存在着原理未知的奇妙对应（如果你不能理解阶数和系数的关系，看下图）。其实，这些新加入的“月光猜想”中的函数，早就出现在某位数学史上难得一见的天才的一封信里。这封颇有先见之明的信件早已遥遥领先其所处时代，就算再往后推半个世纪，“月光猜想”也还只是数学家们脑海中惊鸿一瞥的念头。

以魔群月光为例，上面那个是J函数的展开式，下面这个图等号的左边是魔群的阶数，右边是一系列包含J函数展开的系数的算式。简言之，魔群的阶数可以用一系列J函数系数的运算式来表示，这两者间有关系的猜想被称为“魔群月光猜想”。其他的类似的对称群阶数和函数系数之间的关系被称为其他名字的“月光猜想”。

新找到的23种“月光猜想”似乎到处都交织着弦理论中最核心的结构之一——一种被称为“K3曲面”的四维实流形。“该曲面与‘伴影月光猜想’的紧密联系暗示着在这些曲面中存在着某些隐藏的对称性。”来自阿姆斯特丹大学和法国国家科学研究中心的数学家、理论物理学家程之宁（Miranda Cheng）这么说道，她与美国凯斯西储大学数学家约翰·邓肯（John Duncan）和芝加哥大学物理学家杰弗里·哈维（Jeffery Harvey）一同最先提出“伴影月光猜想”，“这些发现有着非常重要的意义，我们需要更深入地去理解它们。”她接着补充。

流形，是局部具有欧几里得空间（有限维实内积空间）性质的空间，是欧几里得空间中的曲线、曲面等概念的推广。

对称性，此处的对称性指数学意义上的对称性，与日常用语中对称性不同。

这些新发表的理论证据有力地表明，这23个新发现的月光猜想必定有其对应的弦理论模型，而这些模型将会帮助我们简化“月光猜想”并理解其错综复杂的相关性。可惜的是，现有的证据还并不能真正构建出相关的弦论模型，只是给物理学家们留下了一个撩人的诱惑。“等到我们真正弄懂了‘月光猜想’的那天，它就会以物理学的形式呈现在我们面前。”邓肯说。

魔群月光

任何已知图形的对称性中都暗含一种天然的算术特性。举例来说，假设我们将一个正方形旋转90度后水平翻折，那么我们得到的图形与我们直接沿对角线翻折原图形是一样的——也即是说，“90度旋转+水平翻折=沿对角线翻折”。19世纪，数学家们意识到他们可以将这种类似的算法抽象为“群”（group）的代数概念。单一的抽象群能够表征多种不同形状的图形的对称性，这让数学家们可以见微知著，从一个小点出发理解不同图形的共性。

振动方程y=Acos（ωt+φ）表示的是一个质点的振动，波动方程y=Acos［ω（t-x/v）+φ］表示的是各个质点在不同时刻的振动状态，由x决定了是哪个位置的质点，也就是当x确定的时候，这个波函数就等价于这个点的振动方程

浅谈建筑结构抗震设计概念（七）作者：王锁军北京蓝图工程设计有限公司下面这段话是一名网名叫朝阳的读者在读了浅谈（六）后的留言：“定性的理解两个质点的受迫振动的情况，当外荷载的频率和其中的一个振型的频率相等时，这个振型就会发生共振，其它振型的自振会很快消失，其振动就会以这种振型并以最大的振幅表现出来。但因为有阻尼的存在，最大振幅将维持在一个稳定的数值。”“钢尺有可能按这些图形的任何一种样子振动，就看振动台的频率了，频率越大，扭出来的麻花就越多，这就是振型，当然振动也可能是某些振型的组合。”“用绳子把两个质点拉开成第一振型的位移比例，突然断开，这就是第一振型的位移初始条件，就按第一振型振下去，没第二振型什么事儿。同样把两个质点拉开成第二振型的位移比例，断开后就是第二振型的振动。如果两个质点的初始位移比例和那个振型都不符，那就两个振型混合振起来，两个振型所贡献的位移比例要看初始位移和那个接近了。”这些话读起来很有意思，我们每个人的内心都可以看做是一个包含N个质点的多自由度体系，在社会大熔炉的影响下做着各种受迫振动，每个人因为资质、性格、所处环境的不同可能走出各种各样不同的人生，社会越动荡，每个人的人生道路就会越曲折、越复杂。家庭和生活环境就是我们人生的初始条件，一个好的人生导师（也可以是一种思想、一种信念）就像外荷载，或者说外在激励。当我们内心受到触动、思想受到感召，并不断得到强化时，就会和导师的思想发生共振，走上与其相同的人生道路，同时激发出自身的巨大能量。见贤思齐”是我们工作、生活取得进步的主要途径，关键是如何保证这个外在激励能一直保持下去，不要半途而废，这就不是一般人能做到的了。毕竟人生短暂，花花世界的诱惑就像阻尼一样无处不在我写“画图杂谈”和“浅谈抗震”每期都会不少读者留言，给我很大的鼓励和很好的建议，但这位读者的留言却让我非常的激动。他把我们的专业和人生联系了起来，又是如此的恰当，让人感慨，令人深思！本来想借题发挥一下，但觉得他已经说的太好了，再多言就是饶舌，故作罢！接上期，继续讨论振型分析。从两个质点的振型分析和不同振型的正交性，推广到多质点体系也是一样的。一：多质点体系自由振动看下多质点体系的自由振动方程：和两个质点体系的方程求解过程一样，通过假设质点的振动位移为简谐形式：写成矩阵并解矩阵方程的式子是这样的：展开这个行列式并解方程就可以得到以为未知数的N个代数方程（和质点数相同），解这个方程，从而有小到大得到N个，最小的叫基本振型（第一振型），就是在建筑结构简化的质量串都向一边倒的那个振型，基底剪力法也是用的这个振型进行的简化。求出n个后，代入上面的方程，就可以得到N个比例不会变化的振型位移:Y1 Y2......即N个振型。真正的振动是各质点的位移是以Y1 Y2......之间的而不变的比例关系来振动的，实际的位移是振型位移的倍数，可以表达为,这个CY1 CY2......值是一个任意常数（某一时刻为0），也就是说Y1 Y2......只是振型，即振动的形态，不是真实的振幅。反正Y1 Y2......代表的只是比例关系，为了简化，我们可以让Y1=1，得到的一组振型位移，叫标准化振型。上面所述和上期杂谈的两个质点的方法一样，只是扩展到多个质点罢了。大家看到了，两个质点的解方程都是如此的困难，如果多个呢？有人说，现在计算机技术了，解这个联立方程组瞬间的事，但我们学习不能什么东西直接利用机器智能，也应该走一遍前辈伟人走过的路，体会一下荆棘路上的波谲云诡和风光绮丽。二：振型正交性再用文字解释一下正交性一个振型下(比如i振型）的不同质点的一组惯性力这个是线性代数里面向量和矩阵的表达，很难用语言说清楚，既然是浅谈么就不较真了，按我的语言描述的思路往下进行就行了。正交性就是一个振型下的一组惯性力（对质量来说）或一组恢复力（对刚度来说）对另一个振型的位移做的功是虚功也就是0，那这个这个振型下的惯性力或恢复力对自己的振型的做的功那就是实功了，是多少呢？注意这个式子数学上不严谨，为了理解方便而已。学习物理学、力学时，我总是希望知道公式的物理意义，以便于理解，但这个广义质量和广义刚度的物理意义是什么？当年在清华读硕士时浮躁的结构动力学的学习就对这个广义质量和刚度的物理意义就感到困惑，周围的大神们似乎对这个问题也模棱两可，可能大家觉的这也算是个问题么？20多年忙碌的工作没时间似乎也没必要去思考这个无关紧要的问题，但现在写文章，又回到了当年的困惑。思考良久，下面的描述算是对这个概念的物理意义的解释吧，总比没有强。用下图表示上式振型力自作功是这样的：看了上图大家是不是又想起了伪加速度的概念，即恢复力等于伪加速度乘以质量，而伪加速度等于圆频率的平方乘以位移这是因为惯性力做功实际上是个过程，严格讲是力和位移从小到大积分出来的，不是最终的力和最终的位移代数相乘出来的。高中物理讲功是力乘以位移得出的。大学时我们知道，力和位移都是曲线变化的，这个功就不能用高中时的直接相乘得出了，而是需要数学积分了，数值上等于力-位移曲线包络的面积，这就是抗震能量原理的基本概念。所以这种惯性力直接乘位移的计算功（能量）的方法必然大的多（4.93）。其倍数一定是个确定的数，数学上可以求出来，应该就是4.93，我们不去管它，可以把这种算法算出来的能量叫广义动能（为了理解，作者个人定义）。质点的刚度乘以质点振型位移是恢复力，恢复力再乘以位移就是恢复力做的功，求和就可以理解成广义动能。我们可以把振型理解为质点的单位位移，刚度乘以单位位移数值上还是相等的，故广义动能可以理解为广义刚度。这个振型的自振频率：我们下文进行验证一下。三：多自由度体系的受迫振动的振型分解法（叠加法）（1）：外荷载的下的受迫振动，我们还是先从最简单的简谐荷载开始分析。两个质点强迫振动的方程扩展为多质点体系的方程如下：也有不同地震激励下的振动的解法，比如港珠澳大桥几十公里长，两侧桥墩的地震波再用相同的地震波就不行了，这种需要进行不同地震激励下的结构振动的求解，我们的结构一般很少遇到，故不在文章浅谈之内，实话说也超出了我的能力。在平稳阶段，各质点将做简谐振动：上述的解法是是外力是简谐荷载下的解析解法，如何求解一般动荷载下的多质点体系的振动反应呢?显然用求解联立代数方程组的办法肯定是解决不了的，这就是解析法的局限。（2）形式上完全一样，但概念上是不一样的。振型贡献系数方程的各个参数的含义需要再描述一下，以加深理解。首先方程的未知数是振型（比如i振型）对质点的位移在时间t时刻的贡献的数值，是时间的函数。所有的振型就可以列出所有振型贡献系数向量。怎样理解这个广义外力呢？任何专业的动力学教材也没有文字去定义这个所谓的广义外力或广义刚度、广义质量什么。而文章既然是浅谈抗震概念，就试图用浅显的语言来解释这些概念的力学物理意义，不用很准确，有助于理解就好。广义外荷载就是作用于不同质点的外力幅值分别乘以该质点的某振型位移再求和， 外力乘以振型位移可以理解为该外力对该质点的贡献，相对位移的比例就是外力能够起作用的比例，所以可以理解外力在该振型的贡献系数。（3）上述的公式太抽象，我们做一个实际的例子来实际验算加强一下概念，一两层的建筑如下：先通过求解联立方程组，求出该两质点建筑的振型矩阵如下：两个振型：;用广义质量和广义刚度求频率：和联立方程组求解出来的第一振型的频率肯定是一样的。(4) 求关于外荷载：假设上述例题建筑的地面运动加速度为：四：线弹性动力时程分析法求解多质点结构振动反应对于一般外荷载的结构我们可以通过上述公式先求解个振型的叠加系数，在求和求出总振型位移。五：振型分解反应谱法和弹性动力时程分析上述的分析方法实际是直接时程分析法，因为用了累计叠加的杜哈梅积分，所以只能用于线弹性，也就是我们规范上所说的弹性动力时程分析。但振型分解反应谱法是规范的基本方法，而弹性动力时程分析是补充方法。前几期的浅谈，我们也是先用基本的结构动力学的杜哈梅积分求解单质点一般激励下（比如任意地震波）下的体系反应，但这种方法应用在直接工程中不不方便，计算量也太大，所以国际上通行的还是反应谱法，即用上述的直接法算足够多的且有代表性的地震波的反应并得出最大值绘出反应谱线来直接得出地震力。多质点同样道理，我们可以用单质点得出的反应谱（即体系周期与地震力的关系），求出不同振型（相应周期）的地震力，但多质点地震力是各振型的叠加，不是某一个振型说了算的，所以再用本文讲的振型叠加的原理进行总反应的振型组合，这就是规范振型分解（叠加）反应谱法的基本原理，详细的下次再谈吧。注：主要参考文献为1：《结构动力学理论及其在地震工程中的应用》Anil K. Chopraz2：结构动力学：克拉夫3：结构力学(动力学专题)：龙驭球、袁泗等4：抗震规范5：工程结构抗震设计:国家推荐高校教材、李爱群等2020年7月11日