非线性数学,是数学科学的一个新的门类和学科体系。其是与传统的线性数学体系相对应的、相对称的数学领域。迄今为止的大部分数学学科,属于线性数学领域。非线性数学的基础,是传统的线性数学。同时,非线性数学也有着与线性数学本质上不同的独特理论和方法。一般认为,
孤立波和
湍流、混沌和分形等领域的数学,属于非线性数学领域。非线性数学,必将成为未来数学的主流。
非线性,是世界上的物质运动的本质属性(线性是其特例)。近百年来,非线性问题层出不穷,引起了科学家的极大关注。
随着人们对非线性现象的认识越来越深入,非线性物理、非线性动力学、非线性光学等非线性科学已经成为科学研究和技术进步的热点领域,成为日渐庞大的学科体系。与之相应的数学,也在逐步发展。混沌学、分形学、动力系统、微分方程等非线性数学领域进展迅速。
应该指出,当前的数学科学体系和内容,在很大程度上属于线性数学范畴。客观地讲,在非线性领域,数学远远跟不上科学技术发展,滞后于现实需求,大多停留在以还原论思想指导下的借助离散化、线性化方式来模型化、模拟化解决非线性问题的初级水平上。非线性数学,无论是在认识论角度上的理论基础、基本概念、体系结构,还是在方法论角度上的技术路径、定性分析、定量关系,均存在着很大发展空间。构建非线性数学体系,是一项任重道远的宏伟工程。
当前的传统线性数学,是未来的非线性数学的必要基础。但传统数学以往从微观到微观的发展路径将会越走越窄,未来数学必须在宏观上从整体去把握各个数学研究对象,提出新概念,创造新方法,形成新理论,构建新体系。
非线性数学,至少应包含以下各方面内容:
——非线性算术,即非线性数论,其基础是经典同余概念下的复合同余性的研究,核心是满足整性要求的条件迭代下的离散动力系统的研究内容,走的是非传统数系逐步扩展的、保持整性的创新道路。这在原始和广义克拉茨问题研究中,已经取得突破性成果。
——非线性代数,即非线性抽象代数,其核心是在元素分类、集合分解基础上的非线性群、非线性环、非线性域等方面的研究。某些典型的非线性代数结构,均有很好的对称性和数学性质。
——非线性几何,自然应包括曼德勃罗的以分数维研究为重点的
分形几何学。
——
非线性方程,从非线性观点开展各类
常微分方程和偏微分方程的研究,在寻求公式解和近似解之间打开新的通路。其中,各类不动点(系)和极限环是方程解的稳定性研究的重点。
——非线性分析,即非线性数学分析,以非线性收敛性(包括非线性一致收敛、非线性绝对收敛)等概念为基础,研究实数全域中的定义域(初值)分类和值域作为“收敛集合”的“动阻耦合”映射下的极限性质,将经典数学分析研究的微观的点收敛、中观的区间收敛,拓展到整体的全域(包括低维和高维空间)的收敛集合(其中包含各种形式收敛的子集合);也应包含混沌学、波莱尔的测度论和鲁滨逊的非标准分析等内容。需要指出的是,发展二维的非线性复分析,可能是通向黎曼猜想解决的途径之一。
——非线性拓扑,重点研究满足正则非线性条件的非线性同构、同胚和非整数(分数)亏格等方面的问题。
——非线性概率,包括非线性数学期望等方面的研究。
——非线性逻辑,即非线性数理逻辑,引入自相似结构模式归纳的非线性公理,构建非线性数学归纳法的公理基础。
非线性数学的领域极为宽广、内容极为丰富,尚待新一代数学工作者开拓创新、努力耕耘。可以设想,当非线性数学蓬勃发展之日,方为现代数学趋近成熟之时。