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第二十二章 一条从未被写下来的公理

SDE数学解构导论 · 约 853 汉字

一、从一个不被追问的动作说起

做数值计算的人每天都在做同一个动作:把区域切开。有限元把它切成单元,有限体积把它切成控制体,Voronoi 把它切成胞,网格把它切成格子。切开之后,每个块上算一次,最后加起来。

这个动作从来没有人要求过论证。它看上去不是一个假设,而是"把问题写下来"这件事本身。

但它是一个假设。

这条假设不是本书发现的。 姊妹卷《SDE 数学导论(修订版)》(德麦国际专著第 53号)已经把它命名为相容性公理,并写成六重约束:conforming 网格、合法中间态、质量单调性、确定性、可审计性、固定点收敛;该书第一编证明这六条不是数学必然而是物理假设,并以 Santos 定理给出它的不完备性。

本书沿用那个名字,并只取其中与本编主题直接相关的两条粗化形式:

切开的块互不重叠。 每个块只跟它的直接邻居打交道。

第一条是分割的定义,第二条是局域性。两条合起来,本书称为相容性公理。

二、为什么它从未被写下来

一条公理若长期无人写下,通常有两种原因:它太显然,或者它根本不是从假设那一侧进来的。相容性属于后者。

回到第十七章的命题 17.1:一次压缩必然使某个运算丧失局部性,而修复局部性需要新的流程或新的表示。分割正是这种修复的一种。把连续区域压缩成有限个数(离散化),代价是原本处处成立的微分关系不再局部;修复方式是规定一套不重叠的块,让每个块内部自洽、块与块之间只在界面上交接。局部性由此被人工恢复。

所以相容性不是有人主张的观点,是离散化这个动作自带的附赠品。它随表示进来,不随假设进来。这解释了它为什么从未被写下来——没有人主张过它,因此也没有人想到要为它辩护。[证据分级:本节属第三层。它是一条解释性判断,不是可验算的命题。可被推翻的方式是找出一支离散数学传统,其离散化不伴随不重叠假设,且不需要以其他方式恢复局部性。]

三、不写下来的代价

一条未被写下的假设有一个特别的危险:它不会出现在任何一份"本方法的适用条件"里。

于是当一个方法失败时,人们会去检查它写下来的每一条假设,检查完了发现都满足,便得出结论"这是技术困难,估计还不够精细"。而真正的病灶在那条没有被写下来的假设上,它从不进入排查名单。

本书第三编第十九章已经给过一次这种纠正的样本:分数被长期归入"整数不够用所以要扩张"的通道一叙述,直到用签名 A2 一判才发现表达域变了。相容性公理的情形更隐蔽,因为它连一句叙述都没有。

德麦国际专著第 70 号 · 王德生《SDE数学解构导论》