如果有⼈告诉你,在任何时刻地球上总可以找到⼀个点,此时此刻在这⼀点上没有⻛!对此你可能会感到⼗分惊讶,然⽽这却是事实。缩到⼩范围可能会更加使你相信这⼀点。⼤家知道,台⻛是热带海洋上的⼤⻛暴,它实际上是⼀团范围很⼤的旋转空⽓。我们常听到新闻中台⻛的消息,说是台⻛中⼼附近的⻛⼒达到12级。这是指台⻛中⼼附近的⻛速达33⽶/秒,它相当于⼀列⾼速奔驰的⽕⻋的速度。
更有甚者,如2019年第9号台⻛“利奇⻢”(超强台⻛),其中⼼附近的最⼤⻛速竟达52⽶/秒。可是,在如此猛烈的台⻛的中⼼,在⼤约10千⽶直径的范围内,由于外围的空⽓旋转得太厉害,不易进到⾥⾯去,所以那⼉的空⽓⼏乎是不旋转的,因⽽也就没有⻛。下⾯是⼀则真实的报道,这是⼀位美国的⽓象学家乘坐台⻛侦察机,穿⼊太平洋上的⼀个台⻛眼时,对⽬睹的情况所做的⽣动描述。
它⽆疑能够加深你对“台⻛眼”这⼀奇异景观的了解。“……不久,在⻜机的雷达荧光屏上开始看到⽆⾬的台⻛眼边缘。⻜机从倾盆⼤⾬颠簸⽽过以后,突然我们来到耀眼的阳光和晴朗的蓝天下。在我们的周围展现出⼀幅壮丽的图画:在台⻛眼内是⼀⽚晴空,直径60千⽶,其周围被⼀圈云墙环抱。
有些地⽅⾼⼤的云墙笔直地向上耸⽴着,⽽在另⼀些地⽅云墙像⼤体育场的看台倾斜⽽上,台⻛眼上边圆圈有10~12千⽶,似乎缀在蓝天背景上……”看!在那宛如万⻢奔腾的怒吼的狂⻛中,果然存在着⼀个⻛的不动点。不动点的现象在⾃然界、⽣活中随处可⻅。
⽇本东京⼯⼤⽥中富教授在《科学之谜》⼀书中,提到⼀件有趣的事:⽼师带着⼀批学⽣到⼀座寺庙去参观,这位⽼师把头伸到⼤吊钟⾥去观察钟的结构,有个学⽣很淘⽓,想吓唬这位⽼师,就使劲⽤撞钟⽊去敲击⼤钟,结果不但没有吓着⽼师和旁边的⼥同学,⾃⼰反⽽被震⽿的钟声吓了⼀⼤跳。为什么会出现这种现象呢?
⽥中富教授画了⼀张图并解释说,这与在⼀个碗⾥倒满⽔,然后⽤筷⼦敲碗边,我们可以看到波纹从碗周围向碗中⼼移动的现象是⼀个道理。此时中⼼部分波纹因互相抵消⽽消失。图中的A、B、C、D、E实际上是声波的不动点。相反,敲钟学⽣站的地⽅F,恰是钟振动最⼤的地⽅,所以声⾳⾃然特别震⽿。下⾯你可以做⼀个有趣的游戏。
拿来同⼀个⼈的⼤⼩两张照⽚,把⼩照⽚随⼿叠放在⼤照⽚之上,然后你向观众宣布:⼩张照⽚上⼀定有⼀点O,它和下⾯⼤张照⽚与之正对着的点O′,实际上代表着同⼀个点。对此,你的观众⼀定会半信半疑。不过,当你告诉他如何找到这个不动点时,他们的⼀切疑虑都会烟消云散。设⼤照⽚为A′B′C′D′,⼩照⽚相应为ABCD,延⻓AB交A′B′于P点,过A、P、A′,及B、P、B′分别作圆。则两圆交点O即为所求的不动点。
事实上由上图知:这就说明了O点在⼤⼩照⽚中,所处的位置没有变动,即O为照⽚位置变换的不动点。瞧!不动点现象是多么神奇,多么耐⼈寻味!另⼀个例⼦是⼤商场等地⽅可以看到的平⾯地图,上⾯标有“您在此处”的红点。如果标注⾜够精确,那么这个点就是把实际地形射到地图的连续函数的不动点。地球绕着它的⾃转轴⾃转。⾃转轴在⾃转过程中是不变的,也就是⾃转运动的不动点。
关于不动点系统的研究,始于20世纪初,1912年,荷兰数学家L.E.J.布劳威尔(L.E.J.Brouwer,1881—1966)证明:任意⼀个把n维球体变为⾃身的连续变换,⾄少有⼀个不动点。这就是著名的不动点定理。L.E.J.布劳威尔图源:百度百科对于⼤多数的读者,布劳威尔定理中的⼀些数学术语,⽆疑需要加以解释。例如,粗浅地说,就是“连续变换”原先距离很⼩的两点,变换后的距离依然很⼩。
⾄于“n维空间”,这是⼀个抽象的概念。具体地说,直线是⼀维空间,平⾯是⼆维空间,普通空间是三维空间,等等。因⽽线段是⼀维球体,平⾯圆域是⼆维球体,普通的球是三维球体,等等。布劳威尔定理的严格证明虽说很深奥,但有关布劳威尔定理的⼀些实例却是很有趣的。拿⼀个平底盘和⼀张恰好盖住盘底⾯的纸,纸上的每⼀个点正好对应着它正下⽅盘⾯上的⼀个点。现在把纸拿起来随便揉成⼀个⼩纸团,再把⼩纸团扔进盘⾥。
那么,根据布劳威尔不动点定理,不管⼩纸团怎样揉,也不管它落在盘底的什么地⽅,我们可以肯定,在⼩纸团上⾄少有⼀个点,它恰好位于盘⼦原先与这⼀点对应的点的正上⽅。尽管我们说不准这样的点在哪⼉。以上事实我们可以给予如下说明:假设⼩纸团在盘⾯上的正投影为区域Ω1。显然,原纸⽚上与Ω1相对应的点⼀定位于Ω1的正上⽅,假设纸团⾥的这部分在盘底的正投影为区域Ω2,显然Ω2<Ω1。
同样,原纸⽚上与Ω2相对应的点⼀定位于Ω2的正上⽅,⽽纸团⾥的这部分在盘底的正投影为区域Ω3,⼜有Ω3<Ω2,如此等等,可以反复做下去,得到⼀连串⼀个⽐⼀个⼩的区域Ω1,Ω2,Ω3,…,这些区域⼀个含于另⼀个之内,形成⼀层⼩似⼀层的包围圈。因此最后必然缩到“⼀个点”(或“⼀个⼩区域”),那么这个点(或⼩区域上的点)在纸团上的位置,⼀定恰好在该点的上⽅。
布劳威尔不动点定理问世后,引起了各国科学家的极⼤兴趣,他们对此做了⼤量的⼯作,取得了许多奇妙的应⽤。举⼀个颇有影响的例⼦。1799年,德国数学⼤师⾼斯证明了n次代数⽅程⾄少有⼀个根。这就是著名的代数学基本定理。尽管这个定理的名称,对于200多年后的今天似乎不确切,但对于200多年前以⽅程理论为主体的代数学,却没有⾔过其实。
今天,当我们研究了不动点理论之后,可以把⽅程f(x)=0的求根问题,转化为求函数φ(x)=f(x)+x的不动点。由于⽅程f(x)=0的根不可能超越复数平⾯的某个半径很⼤的圆域,⼜函数φ(x)显然是连续的,因此在这个⼤圆域运⽤布劳威尔不动点定理,知道⾄少存在⼀个点x,使得φ(x)=x即f(x)+x=x也就是说,⽅程f(x)=0⾄少有⼀个根。看!⼀个在代数学上起着巨⼤作⽤的定理,竟如此轻松地证明了。
不过,对于不动点理论,科学家们似乎感到不尽如⼈意,因为这个理论只告知不动点的存在,却没说不动点在哪⾥。这个问题困扰了他们达50年之久,直⾄20世纪60年代后期,情况才有了转机。1967年,美国耶鲁⼤学的斯卡弗教授,在不动点由未知转向已知⽅⾯,取得了重⼤突破。他提出了⼀种⽤有限点列逼近不动点的算法,使不动点的应⽤,取得了⼀系列卓越的成果。
有趣的是,对不动点理论做出如此巨⼤贡献的斯卡弗本⼈,却是⼀名专攻经济学的学者。数学上的理论,使斯卡弗和他的同⾏们在经济学领域犹如猛⻁添翼,取得了累累硕果。