發現自己對數學學習的看法或者審美可能出了點問題?......

事情起因是不少網友邀請我回答一些奇奇怪怪的積分題,我當然是做不出來的,同時也不怎麼感興趣。看到下面的回答基本上都是用一些技巧性很強的方法+特殊函數+級數的方法做出來的。但是我一般碰到做不出來的積分會內心毫無波瀾的丟給Mathematica算......

我個人的感覺是自己一旦瞭解了一個數學體系的建立過程(e.g, 黎曼積分的定義和基本性質,以及一些最基本的積分方法)之後,就對如何解決這個體系內的技術性問題(詭異的積分解法)沒什麼興趣了。同時我也不喜歡很偏向解決問題的領域,比如初等組合和數論。我自己的感覺是在做這些領域的問題時看不到很多我認為比較有意思的東西,比如這個體系建立的動機,以及整個建立過程等等(自然不排除我的學習方法有問題)。相反的,我在數學分析和線性代數這兩個板塊內看到了我比較喜歡的風格,所以興趣也比較偏向這兩個領域。

我的數學老師說我是個比較"classic"的人(指偏分析+代數),我也試著用數學裡的兩種人的分類(problem solver v.s. theory builder)把自己劃為後者,但是感覺自己現在淺薄的學識還沒有資格讓我成為這一類人。在看到Putnam和IMO裡面的問題,我個人似乎也沒有那麼強的慾望去解決它們(所以也許基本可以肯定我不是problem solver.....)。

我在想是不是自己的學習方法或者數學審美出了問題,使得自己在數學領域裡面也過於偏科。。。另外也不是很清楚特殊函數或者做那麼多積分的重要性。。。有人能簡單說說嗎?

或者還有一個合理的解釋就是自己真的是天賦太低智商不夠,解決問題能力太差了?


之前羣裏討論過problem solver v.s. theory builder的問題,我開玩笑說還有一種人叫做example giver。正曲率的幾個大佬都是example giver,比如Wallach,Allof-Wallach, Eschenburg等等。只不過他們找了一大堆例子後,可以說近20年都幾乎沒發現新例子了。任何人如果發現了正截面曲率流形的新例子,毫無疑問會成為這個領域的rising star。

扯遠了一點,我的意思是,做數學的範式其實很廣,不是非得去磕眾所周知的大問題,或者效仿Grothendieck搞一套big machinery出來。也可以找找例子。我們這個領域之所以熱衷於找例子,我認為主要還是因為正曲率的研究還處於初級階段,探索階段,大家根本沒有什麼好的machinery去做事情,也缺乏像Thurston幾何化猜想這樣的綱領性的問題來引導大家去發現大的圖像。既然大的圖像還是缺失的,那大家也只能先在黑暗中摸索,找到一個新的piece也算突破。不過我認為我個人的能力還不足以支撐我在黑暗中探索太長時間,所以畢業以後我決定暫時離開這個領域。

回到題主的問題。我個人其實和題主比較像。我也不擅長做各種技巧性問題,一個積分如果Mathematica都積不出來,那我肯定也積不出來。知乎上很多諮詢我本科數學問題的,很抱歉,有些確實是不會做。不過我還是要指出一點:對基本的數學工具的訓練,以及對大的數學概念體系的掌握,兩者並不能割裂開的。

比如積分的問題。橢圓周長可以寫成一個積分,對這個積分的研究,產生了橢圓函數、橢圓曲線理論,分別對應了複分析和代數數論的大發展。所以不要輕視這種「微積分練習題」。題主問特殊函數有什麼用?很多特殊函數有物理背景;有些和模形式有關係(比如拉馬努金的很多工作),而模形式是數論和表示論中的重要研究對象。初等的對象可以導向非常深刻的數學,而在宏大的概念體系的學習過程中,也不可避免要進行一些瑣碎的計算——比如黎曼曲面上拿Riemann-Roch算各種東西,可能和黎曼曲面的模空間產生聯繫;代數拓撲裡面對各種譜序列的計算。所以一定不要輕視基本功的訓練。奇奇怪怪的積分題,有些確實是人為湊出來的,但也有一些背後是有其他學科背景的。你可以不會算那些積分,但是瞭解那些背景還是有好處的。


首先,這看你以後的職業規劃了。

如果你只是想畢業,你樂意怎麼學都可以。

如果以後要做研究,算這些奇怪的積分有用嗎?

沒啥用,我也不喜歡算這些。

即使是空間理論(各種不等式)需要用的「技巧」也遠遠低於一些奇怪的積分的要求。

「估計「在很多時候就足夠了,很多時候也只能做「估計」。

但是,基礎不可丟。

即使是來自虛空的男人,也得算一點dirty work。

分析裡面有個不等式叫Grothendieck不等式,它是Grothendieck為了做他的抽象理論而搞的一個不等式,原始的證明就是算了一個「積分」,雖然不tedious,但是也涉及到了一些技巧,也有級數展開。

你看,人家雖然來自虛空,該落地的時候照樣能落地

正如愛因斯坦說的那樣:dirty work是往往不公示於人的,做研究的人把所有的髒話累活幹完後,會把這些髒話累活掩蓋起來,讓你感覺這工作tmd太聰明瞭。

你需要保證你的「能力」足以讓你勝任必須的髒話必要的計算能力就是其中的一環。

比如,你有一個自我感覺不錯的intuition(直覺),那麼你往往需要拿例子算一算,如果你功力足夠,短期就能排除或者「佐證」你的直覺,那麼你就能快速決定是繼續推進還是轉換思考方向。如果你把自己卡在了計算這一環節等於處處掣肘,當然了,如果你有本事找個人替你算,算你牛逼。不過,大部分人一開始的活就是被「叫」的那個。


你想做什麼就做什麼,enjoy your life. 不同的人有不同的style,你只需要找到比較符合你的taste的東西。

不過至少對於某些方向,很多東西是離不開具體計算和dirty work的,你不喜歡就換個小領域吧。

舉例來說,不知道有多少人看過大師Richard Talyor的1988年的博士論文On congruences between modular forms (至少它的introduction,因為大部分時候用不著的話,不必一步步follow計算)。

第一章A Group Cohomological Lemma可以拆成本科生習題,算是比較抽象的基礎練習,符號比較多而已。這可以看成是理論的建立。Theorem 1.1是經典模形式上的應用,完全可以講給本科生聽。

第二章就用第一章的東西證了ordinary Siegel forms for given arithmetic groups with fixed level is bounded independently of the weights (prop 2.1,at least for k varying in some infinite families,參考modular form的baby case thm 1.1),然後由此得到congruence of modular forms of different weights(thm 2.1,還是乘theta series,構造見Lem 2.3),再應用到Galois表示的構造。

而之後兩章他就在做非常具體的兩個情況,主要工作是把Hida的一些結論(Hida family的存在性)做到Siegel Modular Form(主要是g=2)和modular form over imaginary quad field上,用他導師的方法(Eisenstein series造family是最常見的了),但注意前者是當時少見的高維情況,而後者沒有Shimura variety(其實前者對於low weight也不一定能找到,但我們用同餘到high weight的方法能繞過)!!

所以第四章處理imaginary quad field,他就在cohomology of arithmetic groups裏直接工作(見section 4.2,that is why cohomology of arithmetic groups is good!),inflation-restriction能改變level,用第一章的group cohomology方法聯繫different weights (prop 4.5)。後面還仔細研究了cohomology of the boundary of the Borel-Serre compactification (with Hecke action)。

最後還能得到certain arithmetic hyperbolic 3-manifolds的H^1 of certain sheaves裏的torsion的存在性,,也就是thm 4.2。一個例子是考慮SL_2(Z[i])的表示V=Sym^{n_1}張量complex conj of Sym^{n_2},如果n_1≠n_2,那麼存在SL_2(Z[i])的一個同餘子羣G,使得H_1(G, V)有non-trivial torsion。

by pure thought好像最大的idea和theory building就是第一章,後面好像是隨便推廣一下前人的工作。但是這並不是你想像得那麼簡單,GL_2到GSp_4就要算一堆東西,你可以看到一堆矩陣,一堆線性代數lemma,特別是第三章和第四章,非常複雜,既有抽象的精細提升定理和交換代數(e.g prop 3.1),又有具體的寫矩陣構造元素算operators(e.g lem 2.4),確定group cohomology裏的group。

他自己也說「the case of Siegel modular forms the calculations required for this method become very messy」,而且符號很多很複雜,但人家照做不誤,寫下來一百多頁。這需要學習一些技巧性很強的方法,你是看不到太多動機的(動機都在經典模形式情況講的清清楚楚,你現在要推廣),這時候當然沒有mathematica來幫你kill everything。而理論的關鍵已經提前鋪好,你只需要發明一個簡潔有力的idea,然後做大量具體的exercises,有一個大體框架,修修改改,最後完成一篇一百頁的PHD論文,這可能是做某些方向的常態。只不過如果你知道了怎麼做,可以用電腦編程計算代替一部分重複的勞動,算出一些例子來給自己用。

說了這麼多,大師的PHD論文尚且如此,就不必期待自己選擇相關的東西做的時候會有多easy and conceptual了,這不是單純build a theory能解決的事。

但我的意思絕非build a theory不重要,不有用,如果能conceptually解決的事情,那自然conceptually理解最合適,發展理論和做具體問題可能同樣重要,這取決於你具體關心什麼。回到開頭,不同的人有不同的style,你只需要找到比較符合你的taste的東西。

註:Taylor論文第一章的idea和後面構造Galois表示的方法,其實幾十年後independently在另一篇文章裏也出現了,並且更為漂亮,參考Remark 7.4. in

P. Scholze 「On the p-adic cohomology of the Lubin-Tate tower」, Ann. Sci. école Norm. Sup. (4) 51 (2018), no. 4, p. 811–863.


推薦一下菲爾茲獎得主 Timothy Gowers 關於這個問題的探討,很有意思。

The Two Cultures of Mathematics?

www.dpmms.cam.ac.uk


看來題主也邀請了我。作為本科生,我在某種程度上和題主很相似甚至更加傾向。對於我來說,我享受跟著書本完成一個經典定理的證明的過程,而很少對書本後面的具體例題感興趣。從這個角度來說我的確偏向宇航所說的theory builder而非problem solver。從另一個角度說,我更喜歡本科的代數課多於分析,因為代數總是能給出嚴謹的構造和精巧的證明;能把一個看似初等的難題通過定義複雜的結構轉化成一個平凡的結論。

這種傾向從我高中學物理的時候就有了。我還記得高一學習物理競賽最興奮的幾個瞬間,一是用矢量分析的各種identity推導電場能量 [公式] (書上只證了電容器的特例),二是用線性常微分方程理論求解諧振方程 [公式] (書上說代入 [公式] 發現是解),三是證明Euler-Lagrange方程和Newton第二定律的等價性。比起做關於斜面和滑輪具體的物理問題,利用數學符號進行抽象的邏輯推理更吸引我。雖然當時沒有意識到,但是這成為了我後來從物理轉向數學的契機。

學習數學就是一個打怪升級的RPG遊戲。在進入副本之前我們會先畫好科技樹(或者副本地圖...?),然後沿著自己規劃好的方向,享受不斷打怪升級的過程,享受旅途中不斷變換的風景。想像這樣一個情形:剛剛完成高中數學的你得到了一本《高等代數》,隨即進入了一個繚亂紛繁的新世界;在這個世界大飽眼福之後,你在書的附錄看到了羣環域的構造,可能只是簡單的定義而已,似乎不甚稀奇;但是為此你開始看《抽象代數》,這是一本很薄的國內教材,在Galois理論的精巧構造後,突兀地出現了一個短章節關於模和自由模的定義,你感覺它似乎不屬於這本書作者希望討論的範圍,但是它卻把你引向交換代數和同調代數;在另一本更厚的《抽象代數》中,關於模的性質和構造是那麼地豐富:張量積,對偶,內射模,投射模.......然後你被告知幾乎一切在 [公式] 中的操作都可以被搬到Abel範疇上......(以我貧瘠的語言很難描述這種驚奇和喜悅感QAQ)總之,像我這樣的「輕度」RPG玩家,喜歡把精力放在享受劇情和關卡的設計上,而不是反覆刷低級副本提升熟練度,或者計算著如何用最少的時間或者最小的損失通過某個特定副本。作為數學這個「RPG遊戲」的「輕度玩家」,我不知道自己未來會不會轉化成一個「硬核玩家」,或者說我是否能適應數學科研也是未知的。

另外,我的審美還有一個特殊的地方,就是我想成為一個textbook editor。對於我來說,數學理論的美既是內在的,也是外在的,其外在性就體現在使用TeX去書寫數學公式和編纂教材上。我認為用TeX寫成的東西本身就是極佳的審美對象。另外,在閱讀了諸多教材之後,我總是希望能用自己的理解方式去把同樣的東西整理成冊,這一方面是鞏固學習的方法,另一方面也是我自己使體會到的數學內在美外在化的一種形式。題主也是喜歡寫數學筆記的人,想必也有相似的感覺?


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