微分几何中的初等论题

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出版者:世界图书出版公司
作者:J. A. Thorpe
出品人:
页数:276
译者:
出版时间:2013-6
价格:49元
装帧:
isbn号码:9787510058363
丛书系列:Undergraduate Texts in Mathematics
图书标签:
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具体描述

本书是一部讲述微分几何的教程。着重讲述了n+1维空间中n维旋转曲面的几何。通过光滑函数水平集的曲面讲述,这样不需要更多的预备章节,直接引入全局的概念。向量微积分成为研究该理论的最基本工具。书中讲述了测地线、平行移动、曲率和凸性这些基础知识,微分形式的介绍仅是为了在积分中的应用。这本教程需要有线性代数、多变量微积分和微分方程的预备知识,供中高级水平的本科生作为一个学期使用。

《微分几何的几何直觉与应用》 本书旨在为读者提供一个清晰、直观且富有启发性的微分几何入门体验,侧重于培养对几何概念的深刻理解,并展示其在物理学、工程学及其他领域的实际应用。我们相信,真正的数学理解源于对基本思想的把握,而非对抽象定义的机械记忆。因此,本书的编写遵循“先直觉,后形式”的原则,力求让读者在轻松愉悦的氛围中,逐步构建起对微分几何核心概念的认知框架。 核心内容概览: 第一部分:二维世界的几何之旅——曲线的探索 曲线的描绘与度量: 我们从最熟悉的二维平面开始,通过参数方程和隐函数等方式,生动地描绘各种曲线。在此基础上,引入弧长这一基本度量,让读者直观感受曲线的“长度”概念,并学习如何计算。 曲率:弯曲的量化语言: 为什么有些曲线弯得厉害,有些则很平缓?本书将深入浅出地解释曲率的概念,通过生动的几何图像和实例,揭示曲率如何量化曲线的弯曲程度。读者将学习到曲率的计算公式,并理解它与曲线形状的内在联系。 挠率:扭曲的空间感知: 当我们将视野扩展到三维空间中的曲线时,除了弯曲,我们还需要考虑曲线的“扭曲”。本书将引入挠率的概念,直观解释其几何意义,并探讨它与曲线在空间中的运动轨迹的关系。 Frenet 标架:理解曲线的局部行为: 在每一点上,一条空间曲线都有一个与其紧密相关的“局部坐标系”,即 Frenet 标架。本书将详细介绍 Frenet 标架的构造及其重要性,展示它如何帮助我们分析曲线在这一点附近的形状和方向。我们还将推导 Frenet-Serret 公式,这是理解曲线局部性质的基石。 曲线的分类与性质: 通过曲率和挠率等工具,我们将对各种经典曲线进行分类和分析,例如直线、圆、螺旋线、摆线等,并探讨它们独特的几何性质。 第二部分:三维世界的优雅构造——曲面的初步认识 曲面的参数表示与基本量: 从曲线到曲面,我们的空间维度进一步提升。本书将介绍曲面如何用参数方程来描述,并引入曲面上的切平面、法向量等基本概念,建立对曲面局部几何性质的初步认知。 第一基本形式:测量曲面上的距离和面积: 想象一下在曲面上行走,如何测量两点之间的距离?第一基本形式就提供了这个工具。本书将详细讲解第一基本形式,展示它如何度量曲面上的长度、面积,以及它与曲面内在几何性质的关系。 第二基本形式:刻画曲面的弯曲度: 曲面是如何弯曲的?第二基本形式揭示了曲面在空间中的“弯曲”程度。我们将通过直观的例子,解释法曲率、主曲率等概念,并理解它们如何描述曲面在不同方向上的弯曲情况。 高斯曲率与平均曲率:曲面的全局特征: 高斯曲率和平均曲率是描述曲面全局性质的重要不变量。本书将详细阐述这两个重要概念,并探讨它们与曲面形状之间的深刻联系。我们将通过一系列著名曲面(如球面、平面、圆柱面、马鞍面等)的例子,来加深读者对这些概念的理解。 曲面的等温线与测地线:连接点的最短路径: 在曲面上,连接两点的“直线”是什么?本书将介绍测地线的概念,并解释它在几何和物理中的重要性。我们还将探讨等温线,帮助读者更深入地理解曲面的内在度量。 第三部分:现代几何的基石——流形与张量的初步触碰 流形的思想:从“平”到“弯”的抽象: 本章将带领读者走出欧几里得空间,认识流形这一更抽象但更普遍的几何对象。我们将通过类比,解释流形如何将局部“平坦”的欧几里得空间的概念推广到弯曲的空间。 切空间与向量场:在流形上“运动”: 在流形上,我们如何谈论“方向”和“速度”?本书将引入切空间的概念,并以此为基础定义向量场,帮助读者理解在抽象的几何空间中进行微分运算的可能性。 张量的威力:描述几何性质的强大语言: 本章将初步介绍张量的概念,并强调张量在微分几何中的核心作用。我们将通过一些简单的例子,展示张量如何能够统一地描述各种几何量,如度量、曲率等,为更深入的几何研究打下基础。 本书的特色: 丰富的几何直觉: 大量使用图像、动画(隐含在文字描述中)和直观的类比,帮助读者建立对抽象概念的几何感知。 循序渐进的逻辑: 从二维曲线到三维曲面,再到抽象的流形,内容组织紧密,层层递进,确保读者能够逐步掌握。 注重概念理解: 强调对核心概念的深入剖析,而非仅仅罗列公式和定理。 理论联系实际: 适当穿插微分几何在物理学(如广义相对论、电磁场理论)、计算机图形学、机器人学等领域的应用实例,激发读者学习兴趣。 清晰易懂的语言: 避免过多的专业术语,力求用清晰、生动的语言解释复杂的数学概念。 目标读者: 本书适合对数学充满好奇,希望深入理解微分几何的本科生、研究生,以及对几何概念感兴趣的物理学家、工程师和计算机科学家。即使没有坚实的微积分基础,只要具备基本的线性代数和微积分知识,也能在本书的引导下,遨游于美妙的微分几何世界。 本书期望能成为您探索微分几何奥秘的忠实伙伴,引领您领略几何的优雅与力量,并开启您在科学前沿的无限可能。

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读后感

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用户评价

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这本书的排版和设计简直是一场视觉的盛宴。在这个信息爆炸的时代,我们太习惯于那些内容拥挤、字体细小的教材了,但这本《微积分与拓扑的交汇》——抱歉,我好像又跑题了——这本书(让我们回归到我正在阅读的这本)在视觉呈现上做到了极高的水准。空白的运用恰到好处,使得密集的数学推导在页面上获得了呼吸的空间,这对于需要长时间专注的读者来说,简直是莫大的福音。图表的绘制是另一个亮点,它们清晰、精确,并且与文字描述完美地融合在一起,很少出现那种需要读者自行脑补才能理解的模糊插图。当我研究到关于测地线存在性定理时,书中那张用不同颜色区分的路径图,立刻帮我厘清了所有混乱的思绪。这本书的物理重量和装帧质量也体现了出版方对知识的尊重,它拿在手里,沉甸甸的,有一种可以长期珍藏的质感。毫不夸张地说,光是翻阅这本书的物理形态,就已经是学习过程中的一种享受,而非负担。

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这本书在对高级主题的处理上展现出了极高的成熟度,特别是关于曲率的几何解释部分,简直可以单独拿出来作为一篇教学范文。作者用极具说服力的方式解释了为什么曲率不仅仅是曲面的弯曲程度,而是描述空间内在几何性质的根本量度。不同于其他参考书只是简单地给出高斯曲率的公式,这本书巧妙地引入了“不全能向量场”的概念,并通过对平面和球面上的向量场环流积分的比较,生动地说明了曲率的拓扑意义。这种讲解方式,将代数运算和几何直觉进行了完美的嫁接。对于有志于从事理论物理或高级纯数学研究的读者而言,这本书提供的基础深度是无价的。它不仅仅是教会你如何计算,更重要的是,它塑造了一种看待几何问题的全新范式,让你能够预见数学结构将如何演化,而非仅仅被动地接受既成事实。

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这本关于数学的书籍,给我留下了极其深刻的印象,它不仅仅是一本教科书,更像是一次深入的思维探险。从翻开书页的那一刻起,我就被其严谨的逻辑结构和清晰的论证过程所吸引。作者在处理复杂的概念时,总能找到一种近乎艺术性的平衡点——既能保持数学的精确性,又不至于让初学者感到望而却步。比如,在引入黎曼曲率张量时,作者并没有急于堆砌公式,而是先从直观的几何图像入手,比如影子是如何在不同曲面上扭曲的,然后再逐步过渡到代数表示。这种教学方法极大地降低了理解的门槛,让那些原本抽象的理论变得触手可及。我尤其欣赏作者在每一章末尾设置的“历史与展望”部分,这不仅交代了理论的起源和发展脉络,更重要的是,它揭示了这些数学工具在现代物理学和工程学中的实际应用潜力,让我意识到这门学科的生命力远超课本的范畴。阅读的过程就像是跟着一位技艺精湛的向导,攀登一座知识的高峰,每一步都走得踏实而有力。

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这本书的行文风格有一种独特的、近乎古典的优雅,但又夹杂着现代数学的锐利。它很少使用过于口语化的表达,保持了一种专业的距离感,但这种距离感并非冷漠,而是一种对严谨的坚持。作者在构建论证链条时,尤其擅长使用“如果……那么……”的结构,将复杂的推理分解成一连串逻辑上不可动摇的步骤。我发现,在许多关键定义和引理的阐述上,作者会特意提供至少两种不同的视角:一种是基于传统微积分的直观描述,另一种则是基于更抽象的拓扑空间或向量丛的视角。这种双重视角极大地拓宽了读者的思维边界,使得我可以灵活地在具体和抽象之间切换。说实话,有些段落我需要反复阅读三四遍才能完全领会其精髓,但每一次重读,都会有新的领悟浮现,这就像在解一个精妙的数学谜题,每揭开一层,都会发现更深一层的结构。

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我必须坦诚,这本书的难度是毋庸置疑的,它要求读者具备扎实的预备知识,如果只是抱着“随便看看”的心态,很可能会在第三章左右就遭遇瓶颈。然而,正是这种挑战性,让我体验到了真正解决难题后的巨大成就感。作者对于“为什么”的探讨,远胜于“是什么”。他没有满足于仅仅展示定理和证明,而是深入挖掘了这些数学结构背后的哲学意义。例如,在讨论微分形式的内积时,作者引入了许多关于“度量”与“观察者”相对性的讨论,这让我联想到爱因斯坦的广义相对论中对时空弯曲的描述。这种跨学科的启发性思考,是许多纯数学教材所缺乏的。它迫使我停下来,思考每一个符号、每一个操作背后的物理或几何直觉,而不是机械地记忆步骤。这种“慢下来”的阅读体验,虽然耗时,但带来的知识沉淀是极其牢固的。

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