之前我們在每周直播整活環(huán)節(jié)弄了一期 " 聲之形 "，即看見聲音的形狀，在那里我們嘗試看見了一維超聲波發(fā)生器形成的駐波，也看見了二維金屬板上形成的駐波（即克拉尼圖形）。

超聲波聲懸浮示意圖，圖源網(wǎng)絡(luò)

克拉尼圖形，圖源網(wǎng)絡(luò)

但無論怎樣，都是先固定了裝置的幾何形狀，再去考慮這個幾何形狀上能夠產(chǎn)生怎樣的聲音 ( 振動 ) ，那么一些腦洞大開的人可能會問：這個問題反過來會怎樣呢？我們能夠通過聲音來判斷發(fā)聲裝置的幾何形狀嗎？

事實(shí)上，這個問題有一個更加簡練，更加廣為流傳的版本：我們能聽出鼓的形狀嗎？ ( Can one hear the shape of a drum？ ) 而這也是數(shù)學(xué)家 Mac Kac 于 1966 年那篇著名的文章的標(biāo)題。為了從數(shù)學(xué)上考慮這個問題，我們必須把問題重新表述一下。

什么是鼓？

首先，一個鼓面的振動由什么方程描述？我們可以想象一下，把一個膜拉伸套在一個剛性支架上，這樣就形成了一張二維的鼓。這張二維的鼓的振動是由波動方程描述的，同時因?yàn)楣拿娴倪吘壚卫蔚刭N在剛性的架子上，我們可以認(rèn)為波動方程的邊界條件是狄利克雷邊界條件。如果我們用函數(shù) F ( x,y,t ) 來描述鼓面處于位置 ( x,y ) 處的點(diǎn)在 t 時刻于 z 方向的偏移量，那么鼓面的波動方程就可以寫為，

分離變量 F=U*exp ( iωt ) ，化成本征值問題

其中 U ( x,y ) 是鼓在 z 方向的偏移量，v 是鼓面的波速，在這里是一個無關(guān)緊要的常數(shù)。ω 是振動頻率，Γ 是鼓的邊界。為了簡化我們的記號，我們可以認(rèn)為我們研究的方程具有如下形式：

其中 Ω 表示鼓的內(nèi)部，λ 是拉普拉斯算子的本征值，與之前提到的鼓的本征頻率是一一對應(yīng)的。那么，數(shù)學(xué)上 " 聽鼓辨形 " 則可以表達(dá)為，如果我們已知某面鼓的所有本征值，我們能否唯一地確定鼓的形狀 Ω 和 Γ。

所以數(shù)學(xué)家提出的問題是，如果我們知道了一張鼓的所有振動頻率，我們能唯一地確定鼓的形狀嗎？

鼓的面積

在揭曉答案之前，讓我們將目光放在 Kac 1966 年的文章中，去看看一些物理上的直覺能夠給我們帶來哪些有意思的結(jié)果？正如 Kac 在他的文章里提到的那樣，類似拉普拉斯算子在某個區(qū)域內(nèi)的本征值問題最早可以追溯到 Weyl 那個年代，如果我們給定一個 λ，考慮本征值小于 λ 的個數(shù)，即考慮函數(shù)

Weyl 證明了當(dāng) λ → ∞ 時，

這意味著如果我們知道了鼓的所有本征頻率，我們至少可以知道鼓的面積。讓我們稍微仔細(xì)觀察一下 Weyl 得到的結(jié)果，拉普拉斯算子在一個鼓上的本征值的分布，當(dāng)本征值很大時，分布在區(qū)間 [ λ,λ+dλ ] 內(nèi)的本征值的個數(shù)正比于鼓的面積，而與 λ 無關(guān)，與鼓的形狀也無關(guān)。

接下來，我將展示我們可以用一種物理類比來 " 論證 "Weyl 證明的定理。首先，我想強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，數(shù)學(xué)上 " 聽鼓辨形 " 問題其實(shí)是拉普拉斯算子在一個區(qū)域內(nèi)的本征值問題，它不僅僅出現(xiàn)在波動方程中，還出現(xiàn)在量子力學(xué)里的 Schrödinger 方程以及擴(kuò)散方程中。在這些不同的物理問題中，擴(kuò)散問題最容易為我們提供關(guān)于拉普拉斯算子本征值分布的物理直覺，因而我們這里想重點(diǎn)展示一下如何從擴(kuò)散方程中汲取靈感來得到 " 聽鼓辨形 " 問題的部分答案。

首先，擴(kuò)散方程是描述擴(kuò)散現(xiàn)象的偏微分方程，而擴(kuò)散現(xiàn)象大致就是在說，隨著時間的推移，物質(zhì)會自發(fā)地從濃度高的地方往濃度低的地方進(jìn)行擴(kuò)散，如果我們用函數(shù)

來描述物質(zhì)在時刻 t，位置 r 處的濃度，那么這個函數(shù)將滿足擴(kuò)散方程：

并有邊界條件

以及初始條件

通過分離變量我們可以得到我們熟悉的本征值問題

以及

現(xiàn)在，從直觀上講，對于非常小的時間 t，擴(kuò)散物質(zhì)的粒子沒有足夠的時間來感受邊界 Γ 的影響。因此，我們期望有

其中

仍然滿足相同的擴(kuò)散方程以及相同的初始條件，但這次沒有其他條件的限制 ( 如邊界條件的限制 ) ，唯一需要滿足的就是物質(zhì)的濃度需要處處大于等于 0，即 P ≥0。

在這種情況下，關(guān)于 P 的顯示表達(dá)式就是著名的高斯分布，

故而根據(jù)我們在上面的論斷，當(dāng) t → 0 時，應(yīng)當(dāng)有

如果這個公式在位置 r=ρ 處也是正確的話，我們就可以得到

如果我們更進(jìn)一步，對上式兩邊進(jìn)行積分，利用歸一化條件

可得

注意到上式還可以寫成如下形式，

其中

那么這個時候如果我們應(yīng)用 Hardy-Littlewood Karamata Tauberian 定理 ( 這個定理的內(nèi)容將在文末進(jìn)行說明 ) ，我們就可以得到

而這正是 Weyl 的結(jié)果 ( Γ ( 2 ) =1 ) 。

以上只是基于物理的類比給出的并不嚴(yán)格的論證，當(dāng)然我們可以用數(shù)學(xué)語言將上面的這些論述嚴(yán)格化，但這超出了本文的目標(biāo)，感興趣的讀者可以直接閱讀 Kac 的原文。總之，我們現(xiàn)在至少可以確認(rèn)我們能夠聽出鼓的面積。

其他信息呢

但我們能夠聽出更多的信息嗎？事實(shí)上，我們可以利用同樣的類比繼續(xù)考慮這件事情，假設(shè)在擴(kuò)散問題中，物質(zhì)一開始集中的地方非?？拷吔纾次覀兊?strong>初始條件里的 ρ 非?？拷鼌^(qū)域的邊界，那么此時在開始非常短的時間 t 內(nèi)，一條直線構(gòu)成的邊界條件應(yīng)當(dāng)是非常好的近似 ( 如下方左圖所示 ) ，

于是我們可以得到，

其中 Pl ( ρ ) 是 l ( ρ ) 以直線作為邊界條件得到的解，而

其中 δ 是 ρ 到邊界 Γ 的最短距離。對于積分而言，上式中指數(shù)衰減那一項(xiàng)將只有非?？拷吔绲膮^(qū)域才會有所貢獻(xiàn)，稍加計(jì)算，可以得到如下公式，

右邊第一項(xiàng)是我們一開始得到的結(jié)果，而指數(shù)衰減那一項(xiàng)能夠告訴我們邊界的周長信息，也就是說，我們可以聽出鼓的周長！

我們還能聽出更多的東西嗎？事實(shí)上，對于凸多邊形鼓，Kac 得到了如下公式，

其中 θ 是多邊形的每一個角度。如果這個多邊形有 N 條邊，并且如果我們讓 N → ∞ 使得每一個 θ → π，那么上式的常數(shù)項(xiàng)將變成

這似乎在說光滑的鼓給出的常數(shù)項(xiàng)都是一樣的，我們沒法通過常數(shù)項(xiàng)對鼓進(jìn)行區(qū)分。復(fù)連通的鼓會怎樣呢？如果我們讓所有多邊形都接近平滑曲線，結(jié)果是常數(shù)項(xiàng)將變成 ( 1-r ) 1/6，其中 r 是鼓面上洞的個數(shù)。因此，可以很自然地推測，對于具有 r 個光滑洞的光滑鼓，我們有

也就是說我們還可以聽出鼓的拓?fù)?( 即鼓面洞的個數(shù) ) ！

以上便是 Kac 1966 年的文章里的主要結(jié)論了，在這篇文章中 Kac 也表明他還不清楚 " 聽鼓辨形 " 的終極答案。直到 1992 年，Carolyn Gordon、David Webb 和 Scott Wolpert 根據(jù) Sunada 方法在平面上構(gòu)造了一對形狀不同但特征值相同的區(qū)域。這些區(qū)域是凹多邊形。兩個區(qū)域具有相同特征值的證明使用了拉普拉斯算子的對稱性。Buser 等人對這一思想進(jìn)行了推廣，他們構(gòu)建了許多類似的例子。因此，Kac 問題的答案是：對于許多形狀，人們無法完全聽出鼓的形狀。然而，正如 Kac 最初的文章那樣，我們可以推斷出一些鼓的信息。

另一方面，Steve Zelditch 證明了，如果對具有解析邊界的某些凸平面區(qū)域施加限制，則 Kac 問題的答案是肯定的。

Gordon、Webb、Wolpert 構(gòu)造的反例，兩個不同形狀的鼓具有完全相同的本征頻率。注意到這兩個鼓具有相同的面積和周長。 [ 3 ]

在實(shí)際中，由于鼓的音色是由本征振動模式的相對振幅集決定的，因此僅僅擁有一組完全相同的本征頻率并不足以讓兩個鼓聽起來相同。對于每個本征模，它們還需要具有相同的相對振幅，這在實(shí)際中可能并不容易實(shí)現(xiàn)。

此外，人們無法直接聽到鼓 ( 鼓膜 ) 的振動。相反，我們的耳朵聽的是空氣中聲波的振動，所以我們還需要考慮聲音的傳播 …… 這將變得更加復(fù)雜。因此，在實(shí)際生活中，似乎很難找到兩個聲音相同的不同鼓。

數(shù)學(xué)補(bǔ)充

Hardy-Littlewood Karamata Tauberian 定理，當(dāng) y → 0+ 時，數(shù)列 an 以下的兩個漸進(jìn)行為將是等價的，

Feller 推導(dǎo)出關(guān)于這個定理的更一般的形式，考慮有界變差的實(shí)值函數(shù)

（這里，僅局部需要有界變差：即在 [ 0,∞ ) 上的每個有界子區(qū)間上滿足有界變差即可。然而，此時需要對變換的收斂性進(jìn)行更復(fù)雜的附加假設(shè)。）定義：

該定理以以下方式將 ω 的漸近性與 F 的漸近性聯(lián)系起來。如果 ρ 是非負(fù)實(shí)數(shù)，則以下陳述是等價的。