问题

本科学习拓扑有哪些值得分享的学习经验?

回答
好的,很高兴能和你分享一下我本科学习拓扑的一些心得体会。拓扑这门课,说实话,刚开始接触的时候,确实会让人有点摸不着头脑。它不像高数那样有直观的图像和运算,很多概念都建立在非常抽象的基础上。但一旦你真正沉浸进去,你会发现它拥有独特的魅力,它在“不变性”的研究上有着极其深刻的洞察力。

1. 理解“不变性”的核心思想:

在我看来,拓扑最核心、最吸引人的地方,就是它研究的是在“连续形变”下保持不变的性质。这个“连续形变”你可以想象成橡皮泥的揉捏,可以拉伸、扭曲,但不能撕裂或粘合。比如,一个甜甜圈和一个咖啡杯,虽然形状差异很大,但在拓扑学家看来,它们是“同一个东西”,因为你可以通过连续形变把一个变成另一个。

刚开始学习的时候,我总是在纠结于具体的形变过程,想找到一个精确的“怎么变”。但后来我意识到,拓扑更关注的是“能不能变”,以及在变的“过程中”哪些性质是不变的。比如,一个洞的数量,这就是一个非常重要的拓扑不变量。你无论怎么揉捏甜甜圈,那个洞永远都在,你无法把它变成一个没有洞的球。理解了这一点,很多抽象的概念就有了抓手。

2. 严谨的定义是基石,但不要被定义“绑架”:

拓扑课上充斥着各种定义:开集、闭集、邻域、同胚、同胚映射等等。这些定义是构建整个理论大厦的砖石,绝对不能忽视。我建议初学者,尤其是学得比较快的同学,一定要花足够的时间去理解和消化每一个定义。不要觉得“大概知道是什么意思”就可以了,数学的严谨性就体现在这些细节里。

举个例子,初学开集的时候,可能会觉得不就是“里面不包含边界的点”吗?但实际上,它的定义是“一个集合,其内部的任意一点都有一个包含该点的开球(在度量空间中)或者一个属于该集合的邻域(在一般拓扑空间中)”。这个“邻域”的概念在更一般的拓扑空间里尤为重要。

但是,光靠背定义是远远不够的,而且很容易让人陷入“钻牛角尖”的误区。有时候,你会发现自己对着定义反复琢磨,却还是觉得模糊。这时候,我建议不要过分纠结于某个定义在所有情况下的细枝末节,而是先抓住它核心的“意图”和“作用”。等学到后面,接触到更多的例子和定理,很多之前模糊的地方自然会豁然开朗。

3. 大量的例子是理解抽象概念的“救命稻草”:

拓扑空间是一个非常泛化的概念,最初学习的时候,你可能会觉得它过于抽象,与我们熟悉的欧几里得空间(我们生活的三维空间)差异太大。这时候,我强烈建议你多看例子!

从熟悉的欧几里得空间入手: R^n 上的点集,开集、闭集、连通集、紧集等等,这些都是最基本的例子。尝试理解为什么这些定义在 R^n 上是这么工作的。
球面和环面: 这两个可以说是拓扑学里最常出现的“模型”了。研究球面上各种点的性质,比如球面的连通性、紧性。再研究环面,它有几个“洞”,在拓扑上它和球面有什么区别?
实数轴上的子集: 比如开区间、闭区间、单点集、有限集、可数集、不可数集,这些在实数轴上的行为,能帮助你理解更抽象的空间的性质。
特殊空间: 比如离散拓扑空间(每个子集都是开集)、平凡拓扑空间(只有空集和全集是开集)。这些看似“极端”的例子,反而能帮助你理解拓扑定义的边界和普遍性。

在看例子的时候,不仅要看别人怎么说,更要自己动手去“画”和“想”。即使是抽象的空间,如果你能找到一个合适的模型或者类比,理解起来会容易很多。

4. 证明题是硬骨头,但却是真正的“武功秘籍”:

拓扑学是一门高度依赖证明的学科。很多时候,一个定理的证明过程,比定理本身更能让你理解拓扑的精髓。

循序渐进,从简单的证明开始: 不要一开始就挑战很难的证明。从课本上提供的例子或者课后习题中,选择那些相对容易的,比如证明某个集合是开集、某个映射是连续的等。
理解证明思路: 看证明的时候,不要只是跟着步骤走。要尝试理解作者为什么这样想,每一步的逻辑是什么,用了哪些定义和定理。可以尝试自己先“做”一遍,即使做不出来,这个尝试的过程也会非常有益。
拆解复杂证明: 遇到困难的证明,尝试把它拆分成几个小步骤。可能需要引入一些辅助性的定义或引理。有时候,可能需要跳出课本,去查阅相关的资料,或者和同学讨论。
主动构造反例: 很多时候,你会遇到一些“感觉上”好像是对的命题,但实际上是错的。这时候,就需要构造反例来证明它是错的。构造反例的过程,也是对概念理解加深的过程。比如,你可能会遇到“如果两个空间同胚,那么它们的所有子集也同胚?”这样的问题,你需要去思考,有没有可能存在一个子集,在一个空间里有某种性质,但在同胚映射下,它对应的子集在另一个空间里失去了这种性质。

5. 积极参与讨论和交流:

拓扑学概念多且抽象,很多时候,一个别人点拨的瞬间,可能让你茅塞顿开。

组建学习小组: 和同学一起讨论问题,可以碰撞出很多火花。每个人理解的角度不同,互相交流可以弥补自己的盲点。
积极提问: 不要害怕问“傻问题”。很多时候,你觉得是“傻问题”,可能是大家都有的困惑。向老师或助教提问,是解决问题的最直接有效的方式。
分享你的理解: 尝试把自己的理解讲给别人听。在这个过程中,你会发现自己理解得是否清晰,哪里存在逻辑漏洞。

6. 预习和复习相结合:

拓扑学是一个循序渐进的学科,新概念往往建立在旧概念之上。

课前预习: 简单浏览一下即将要讲的内容,对新的概念有个大致的印象,带着问题去听课,效果会更好。
课后及时复习: 听完课后,立刻整理笔记,回顾老师讲的关键点,把不理解的地方标记出来,争取当天或第二天解决。

7. 培养“拓扑思维”:

这可能是我觉得最重要的一点,也是最难量化的一点。拓扑思维就是一种关注“本质不变性”的思维方式。

多做联想: 看到一个问题,多想想它在“连续形变”下是否会改变。比如,一个物体被切开,就撕裂了,所以它不是同胚映射。
跳出具体形象: 努力克服对具体图像的依赖,尝试理解概念的抽象本质。

最后,我想说,拓扑学学习的过程,就像是在一层层剥洋葱,一开始可能会觉得刺眼,但当你真正触及到它的核心时,你会发现它所展现出的数学美和深刻性,是其他很多学科难以比拟的。保持好奇心,多思考,多动手,你会慢慢爱上这门迷人的学科。祝你学习顺利!

网友意见

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谢邀。

这两本都是拓扑入门书,点集拓扑+最基础的代数拓扑。

往后面,如果学习微分流形理论可以看Milnor的Topology from a differentiable viewpoint;这本不是很难,唐珑珂高中就看完了;我们楼下几个物理PhD/postdoc正在学这本书。

系统学代数拓扑自然可以看Hatcher,Algebraic Topology,不过这本很啰嗦。。想从偏几何的角度学代数拓扑可以看看Bott-Tu, Differential forms in algebraic topology.

基本学完这些就达到丘赛拓扑水准了。主要也就是点集拓扑,微分流形,代数拓扑3块,内容上大概还是代数拓扑最多。再往上学就是spectrum, model category, homotopy theory这些东西了,对你的(同调)代数功底还是有要求的。

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