Лента Мёбиуса -Möbius strip

Лента Мёбиуса из бумаги и клейкой ленты.

В математике лента Мёбиуса , лента Мёбиуса или петля Мёбиуса — это поверхность , которую можно сформировать, соединив концы полоски бумаги вместе полуповоротом. Как математический объект он был открыт Иоганном Бенедиктом Листингом и Августом Фердинандом Мёбиусом в 1858 году, но уже появлялся в римских мозаиках третьего века нашей эры. Лента Мебиуса представляет собой неориентируемую поверхность, а это означает, что внутри нее нельзя однозначно отличить повороты по часовой стрелке от поворотов против часовой стрелки. Каждая неориентируемая поверхность содержит ленту Мёбиуса.

Как абстрактное топологическое пространство , лента Мёбиуса может быть вложена в трехмерное евклидово пространство многими различными способами: полуповорот по часовой стрелке отличается от полуповорота против часовой стрелки, и его также можно вложить с нечетным числом поворотов, превышающим один или с узловатой центральной линией. Любые два вложения с одним и тем же узлом на средней линии и одним и тем же числом и направлением поворотов топологически эквивалентны . Все эти вложения имеют только одну сторону, но при вложении в другие пространства лента Мёбиуса может иметь две стороны. Он имеет только одну граничную кривую .

Несколько геометрических построений ленты Мёбиуса придают ей дополнительную структуру. Его можно заметать как линейчатую поверхность отрезком прямой, вращающимся во вращающейся плоскости, с самопересечениями или без них. Тонкая бумажная полоска с концами, соединенными в ленту Мёбиуса, может плавно изгибаться как разворачиваемая поверхность или сгибаться плоско ; сплющенные ленты Мёбиуса включают тригексафлексагон . Суданская лента Мёбиуса — минимальная поверхность в гиперсфере , а лента Микса Мёбиуса — самопересекающаяся минимальная поверхность в обычном евклидовом пространстве. И суданская лента Мёбиуса, и другая самопересекающаяся лента Мёбиуса, кросс-шапка, имеют круговую границу. Лента Мёбиуса без границы, называемая открытой лентой Мёбиуса, может образовывать поверхности постоянной кривизны . Некоторые высокосимметричные пространства, точки которых представляют прямые на плоскости, имеют форму ленты Мёбиуса.

Множество применений ленты Мёбиуса включают в себя механические ремни , которые изнашиваются равномерно с обеих сторон, двухдорожечные американские горки , каретки которых чередуются между двумя дорожками, и карты мира, напечатанные так, что антиподы появляются напротив друг друга. Ленты Мёбиуса появляются в молекулах и устройствах с новыми электрическими и электромеханическими свойствами и использовались для доказательства невозможности результатов в теории социального выбора . В популярной культуре ленты Мёбиуса появляются в работах М.К. Эшера , Макса Билла и других, а также в дизайне символа переработки . Многие архитектурные концепции были вдохновлены лентой Мёбиуса, в том числе проект здания Зала славы NASCAR . Исполнители, в том числе Гарри Блэкстоун-старший и Томас Нельсон Даунс , основывали сценические фокусы на свойствах ленты Мёбиуса. Каноны И. С. Баха были проанализированы с использованием лент Мёбиуса. Во многих произведениях спекулятивной фантастики есть ленты Мёбиуса; в более общем плане в художественной литературе распространена структура сюжета, основанная на ленте Мёбиуса, состоящая из событий, которые повторяются с неожиданным поворотом.

История

Мозаика из древнего Сентинума с изображением Айона , держащего ленту Мёбиуса.
Цепной насос с приводной цепью Мебиуса, Исмаил аль-Джазари (1206 г.)

Открытие ленты Мёбиуса как математического объекта приписывается независимо немецким математикам Иоганну Бенедикту Листингу и Августу Фердинанду Мёбиусу в 1858 году . Однако она была известна задолго до этого как физический объект, так и в художественных изображениях; в частности, его можно увидеть на нескольких римских мозаиках третьего века нашей эры. Во многих случаях они просто изображают свернутые ленты в качестве границ. При нечетном числе витков эти ленты представляют собой ленты Мёбиуса, но при четном числе витков они топологически эквивалентны нескрученным кольцам . Следовательно, то, является ли лента лентой Мёбиуса, может быть случайным, а не преднамеренным выбором. По крайней мере, в одном случае лента с разными цветами на разных сторонах была натянута с нечетным количеством витков, что вынудило ее художника сделать неуклюжую поправку в точке, где цвета не совпадали. На другой мозаике из города Сентинум (на фото) изображен зодиак , который держит бог Айон , в виде ленты с единственным поворотом. Нет четких доказательств того, что односторонность этого визуального представления небесного времени была преднамеренной; его можно было выбрать просто как способ заставить все знаки зодиака появиться на видимой стороне полосы. Некоторые другие древние изображения уробороса или украшений в форме восьмерки также якобы изображают ленты Мёбиуса, но неясно, предназначались ли они для изображения плоских полос любого типа .

Независимо от математической традиции, машинисты давно знают, что механические ремни изнашиваются вдвое медленнее, когда они образуют ленты Мёбиуса, потому что они используют всю поверхность ремня, а не только внутреннюю поверхность нескрученного ремня. Кроме того, такой ремень может быть менее подвержен скручиванию из стороны в сторону. Раннее письменное описание этого метода датируется 1871 годом, то есть после первых математических публикаций о ленте Мёбиуса. Гораздо раньше изображение цепного насоса в работе Исмаила аль-Джазари от 1206 года изображает конфигурацию ленты Мёбиуса для его приводной цепи. Еще одно использование этой поверхности было сделано парижскими швеями (в неустановленную дату): они инициировали новичков, требуя от них пришить ленту Мёбиуса в качестве воротника к одежде.

Характеристики

Двумерный объект, проходящий один раз по ленте Мёбиуса, возвращается в зеркальной форме.

Лента Мёбиуса обладает рядом любопытных свойств. Это неориентируемая поверхность : если асимметричный двумерный объект один раз скользит по полосе, он возвращается в исходное положение как свое зеркальное отражение. В частности, изогнутая стрелка, указывающая по часовой стрелке (↻), вернется как стрелка, указывающая против часовой стрелки (↺), подразумевая, что в ленте Мебиуса невозможно последовательно определить, что значит быть по часовой стрелке или против часовой стрелки. Это простейшая неориентируемая поверхность: любая другая поверхность неориентируема тогда и только тогда, когда она имеет ленту Мёбиуса в качестве подмножества. Соответственно, при вложении в евклидово пространство лента Мёбиуса имеет только одну сторону. Трехмерный объект, который скользит один раз по поверхности полосы, не зеркально отражается, а вместо этого возвращается в ту же точку полосы на том, что локально кажется другой ее стороной, показывая, что оба положения на самом деле являются частью одной стороны. . Это поведение отличается от привычных ориентируемых поверхностей в трех измерениях, например, смоделированных плоскими листами бумаги, цилиндрическими трубочками для питья или полыми шариками, у которых одна сторона поверхности не соединена с другой. Однако это свойство ее вложения в пространство, а не внутреннее свойство самой ленты Мёбиуса: существуют другие топологические пространства, в которые можно вложить ленту Мёбиуса так, чтобы она имела две стороны. Например, если переднюю и заднюю грани куба склеить друг с другом с помощью зеркального отражения влево-вправо, получится трехмерное топологическое пространство ( декартово произведение ленты Мёбиуса с интервалом), в котором вершина и нижние половины куба могут быть отделены друг от друга двусторонней лентой Мёбиуса . В отличие от дисков, сфер и цилиндров, для которых можно одновременно вложить в трехмерное пространство несчетное множество непересекающихся копий, одновременно можно вложить только счетное число лент Мёбиуса .

Путь вдоль края ленты Мёбиуса, прослеживаемый до тех пор, пока он не вернется в исходную точку на краю, включает все граничные точки ленты Мёбиуса в одну непрерывную кривую. Для ленты Мёбиуса, образованной путем склеивания и скручивания прямоугольника, ее длина в два раза больше средней линии ленты. В этом смысле лента Мёбиуса отличается от незакрученного кольца и, подобно круговому диску, имеет только одну границу. Лента Мёбиуса в евклидовом пространстве не может быть перемещена или растянута до своего зеркального отображения; это хиральный объект с право- или леворукостью. Полосы Мёбиуса с нечетным числом полуоборотов больше одного или завязанные перед склейкой различны как вложенные подмножества трехмерного пространства, хотя все они эквивалентны как двумерные топологические поверхности. Точнее, две ленты Мёбиуса эквивалентно вложены в трехмерное пространство, если их осевые линии определяют один и тот же узел и они имеют одинаковое количество поворотов друг у друга. Однако при четном числе поворотов получается другая топологическая поверхность, называемая кольцом .

Ленту Мёбиуса можно непрерывно преобразовывать в ее осевую линию, сужая ее и фиксируя точки на осевой линии. Это преобразование является примером ретракции деформации , и его существование означает, что лента Мёбиуса имеет многие из тех же свойств, что и ее центральная линия, которая топологически представляет собой круг. В частности, его фундаментальная группа совпадает с фундаментальной группой окружности, бесконечной циклической группой . Следовательно, пути на ленте Мёбиуса, которые начинаются и заканчиваются в одной и той же точке, могут быть различимы топологически (с точностью до гомотопии ) только по количеству циклов, которые они обходят полосу.

При разрезании центральной линии получается двусторонняя (не Мёбиус) полоса.
Одиночный разрез со смещением от центра отделяет ленту Мёбиуса (фиолетового цвета) от двусторонней ленты.

Если разрезать ленту Мёбиуса по центральной линии ножницами, получится одна длинная полоса с двумя полуоборотами, а не две отдельные полосы. В результате получается не лента Мёбиуса, а топологически эквивалентный цилиндру. Если снова разрезать эту полосу с двойной скрученностью вдоль центральной линии, получится две связанные полосы с двойной скрученностью. Если вместо этого разрезать ленту Мёбиуса вдоль на треть ее ширины, то получится две связанные ленты. Одна из двух представляет собой центральную, более тонкую ленту Мёбиуса, а другая имеет два полуоборота. Эти взаимосвязанные формы, образованные продольными отрезками лент Мёбиуса различной ширины, иногда называют парадромными кольцами .

Подразделение на шесть смежных областей, ограниченных графом Титце.
Решение задачи о трех полезностях на ленте Мёбиуса

Ленту Мёбиуса можно разрезать на шесть смежных областей, показывая, что карты на поверхности ленты Мёбиуса иногда могут требовать шести цветов, в отличие от теоремы о четырех цветах для плоскости. Шести цветов всегда достаточно. Этот результат является частью теоремы Рингеля–Юнгса , в которой говорится, сколько цветов нужно для каждой топологической поверхности. Ребра и вершины этих шести областей образуют граф Титце , который является двойственным графом на этой поверхности для шестивершинного полного графа, но не может быть нарисован без пересечений на плоскости . Другое семейство графов, которые можно вложить в ленту Мёбиуса, но не в плоскость, — это лестницы Мёбиуса , границы подразделений ленты Мёбиуса на прямоугольники, пересекающиеся встык . К ним относится граф полезности, полный двудольный граф с шестью вершинами , вложение которого в ленту Мёбиуса показывает, что, в отличие от плоскости, задача трех полезностей может быть решена на прозрачной ленте Мёбиуса . Эйлерова характеристика ленты Мёбиуса равна нулю , что означает, что для любого подразделения полосы вершинами и ребрами на области числа , , и вершин, ребер и областей удовлетворяют . Например, граф Титце имеет вершины, ребра и области; .

Конструкции

Существует множество различных способов определения геометрических поверхностей с топологией ленты Мёбиуса, дающих реализации с дополнительными геометрическими свойствами.

Развертка сегмента линии

Лента Мёбиуса, заметаемая вращающимся отрезком во вращающейся плоскости.
Лента Мёбиуса, заметаемая вращающимся отрезком во вращающейся плоскости.
Коноид Плюккера выметается другим движением отрезка прямой.
Коноид Плюккера выметается другим движением отрезка прямой.

Один из способов встроить ленту Мёбиуса в трехмерное евклидово пространство — заметать ее отрезком, вращающимся в плоскости, который, в свою очередь, вращается вокруг одной из своих линий. Чтобы заметаемая поверхность встретилась сама с собой после полуоборота, отрезок линии должен вращаться вокруг своего центра со скоростью, равной половине угловой скорости вращения плоскости. Это можно описать как параметрическую поверхность , определяемую уравнениями для декартовых координат ее точек,

для и , где один параметр описывает угол поворота плоскости вокруг ее центральной оси, а другой параметр описывает положение точки на вращающемся отрезке. Это создает ленту Мёбиуса ширины 1, центральная окружность которой имеет радиус 1, лежит в плоскости с центром в точке . Тем же методом можно изготовить ленты Мёбиуса с любым нечетным числом полуоборотов за счет более быстрого вращения сегмента в его плоскости. Вращающийся сегмент заметает круговой диск в плоскости, в которой он вращается, и порождаемая им лента Мёбиуса образует срез сплошного тора , заметаемый этим диском. Из-за односторонности этого среза разрезанный тор остается связным.

Линия или отрезок, заметаемый другим движением, вращающийся в горизонтальной плоскости вокруг начала координат при движении вверх и вниз, образует коноид Плюккера или цилиндроид, алгебраическую линейчатую поверхность в форме самопересекающейся ленты Мёбиуса . Он находит применение в конструкции зубчатых колес .

Многогранные поверхности и плоские складчатости

Тригексафлексагон сгибается

Полоска бумаги может образовать сплющенную ленту Мёбиуса на плоскости, согнув ее под углами так, чтобы ее центральная линия лежала вдоль равностороннего треугольника , и соединив концы. Самая короткая полоса, для которой это возможно, состоит из трех равносторонних треугольников, загнутых по краям, где встречаются два треугольника. Его соотношение сторон  — отношение длины полосы к ее ширине — равно , и тот же метод складывания работает для любого большего соотношения сторон. Для полосы из девяти равносторонних треугольников получается тригексафлексагон , который можно сгибать, открывая различные части его поверхности. Для полос, слишком коротких для непосредственного применения этого метода, можно сначала «сложить гармошкой» полосу в ее широком направлении вперед и назад, используя четное количество складок. Например, с двумя сгибами полоса станет сложенной полосой, поперечное сечение которой имеет форму буквы «N» и останется буквой «N» после полуоборота. Затем более узкую полосу, сложенную гармошкой, можно сложить и соединить таким же образом, как и более длинную полосу .

Пятивершинные многогранники и листы Мёбиуса с плоской складкой

Лента Мёбиуса также может быть вложена в виде многогранной поверхности в пространстве или сложена плоско на плоскости только с пятью треугольными гранями, имеющими пять общих вершин. В этом смысле он проще, чем цилиндр , который требует шести треугольников и шести вершин, даже если он представлен более абстрактно как симплициальный комплекс . Пятиугольная лента Мебиуса может быть наиболее симметрично представлена ​​пятью из десяти равносторонних треугольников четырехмерного правильного симплекса . Эта четырехмерная многогранная лента Мёбиуса — единственная плотная лента Мёбиуса, полностью четырехмерная, для которой все разрезы гиперплоскостями делят ее на две части, топологически эквивалентные дискам или окружностям.

Другие многогранные вложения лент Мёбиуса включают одно с четырьмя выпуклыми четырехугольниками в качестве граней, другое с тремя невыпуклыми четырехугольными гранями и одно с использованием вершин и центральной точки правильного октаэдра с треугольной границей. Любая абстрактная триангуляция проективной плоскости может быть вложена в 3D как многогранная лента Мебиуса с треугольной границей после удаления одной из ее граней; примером может служить шестивершинная проективная плоскость, полученная добавлением одной вершины к пятивершинной ленте Мёбиуса, соединенной треугольниками с каждым ее граничным ребром. Однако не всякая абстрактная триангуляция ленты Мёбиуса может быть представлена ​​геометрически в виде многогранной поверхности. Для реализации необходимо и достаточно, чтобы в триангуляции не было двух непересекающихся нестягиваемых 3-циклов .

Плавно вложенные прямоугольники

Прямоугольную ленту Мёбиуса, полученную путем соединения концов бумажного прямоугольника, можно плавно встроить в трехмерное пространство, если ее соотношение сторон больше, чем , такое же соотношение, как и у равностороннего треугольника, сложенного плоской версией ленты Мёбиуса . Эта плоская треугольная вставка может подняться до гладкой вставки в трех измерениях, в которой полоса лежит плоско в трех параллельных плоскостях между тремя цилиндрическими роликами, каждый из которых касается двух плоскостей. Математически гладко встроенный лист бумаги можно смоделировать как разворачивающуюся поверхность , которая может сгибаться, но не может растягиваться. По мере уменьшения отношения сторон к , кажется, что все гладкие вложения приближаются к одной и той же треугольной форме.

Продольные складки плоской ленты Мёбиуса, сложенной гармошкой, не позволяют ей образовать трехмерное вложение, в котором слои отделены друг от друга и плавно изгибаются, не комкаясь и не растягиваясь от складок. Вместо этого, в отличие от плоского сложенного случая, существует нижний предел соотношения сторон гладких прямоугольных лент Мёбиуса. Их соотношение сторон не может быть меньше , даже если разрешены самопересечения. Самопересекающиеся гладкие ленты Мёбиуса существуют для любого соотношения сторон выше этой границы. Без самопересечений соотношение сторон должно быть не менее

Нерешенная задача по математике :

Можно ли склеить бумажный прямоугольник встык, чтобы получилась гладкая лента Мёбиуса, погруженная в пространство? 

Для соотношений сторон между этой границей и неизвестно , существуют ли гладкие вложения без самопересечения . Если требование гладкости ослабить, чтобы разрешить непрерывно дифференцируемые поверхности, теорема Нэша – Койпера подразумевает, что любые два противоположных края любого прямоугольника можно склеить, чтобы сформировать вложенную ленту Мёбиуса, независимо от того, насколько малым становится отношение сторон. Предельный случай, поверхность, полученная из бесконечной полосы плоскости между двумя параллельными прямыми, склеенными с противоположной ориентацией друг к другу, называется неограниченной лентой Мёбиуса или вещественным тавтологическим линейным расслоением . Хотя у него нет гладкого вложения в трехмерное пространство, его можно гладко вложить в четырехмерное евклидово пространство.

Минимально-энергетическая форма гладкой ленты Мёбиуса, склеенной из прямоугольника, не имеет известного аналитического описания, но может быть рассчитана численно, и была предметом многих исследований в теории пластин с момента первой работы по этому вопросу в 1930 году Майклом . Садовский . Также можно найти алгебраические поверхности , содержащие прямоугольные разворачивающиеся ленты Мёбиуса .

Делаем границу круглой

Склеивание двух лент Мёбиуса в виде бутылки Клейна
Проекция суданской ленты Мёбиуса

Край или граница ленты Мёбиуса топологически эквивалентна окружности . В обычных формах ленты Мёбиуса она имеет форму, отличную от круга, но не имеет узлов , и поэтому всю полосу можно растянуть, не пересекая себя, чтобы сделать край идеально круглым. Один такой пример основан на топологии бутылки Клейна , односторонней поверхности без границы, которая не может быть встроена в трехмерное пространство, но может быть погружена (позволяя поверхности пересекать себя определенными ограниченными способами). Бутылка Кляйна — это поверхность, которая получается, когда две ленты Мёбиуса склеиваются встык, и — в обратном порядке — бутылку Клейна можно разрезать по тщательно выбранному разрезу, чтобы получить две ленты Мёбиуса. Для формы бутылки Клейна, известной как бутылка Клейна Лоусона, кривая, по которой она разрезается, может быть сделана круглой, в результате чего получаются ленты Мёбиуса с круглыми краями.

Бутылка Клейна Лоусона - это минимальная самопересекающаяся поверхность в единичной гиперсфере 4-мерного пространства, множество точек вида

для . Половина этой бутылки Клейна, подмножество с , дает ленту Мёбиуса, вложенную в гиперсферу как минимальную поверхность с большим кругом в качестве границы. Это вложение иногда называют «суданской лентой Мёбиуса» в честь топологов Сью Гудман и Дэниела Азимова, открывших его в 1970-х годах. Геометрически бутылку Клейна Лоусона можно построить, проведя большой круг через большое круговое движение в трехмерной сфере, а суданскую ленту Мёбиуса можно получить, проведя полукруг вместо круга, или, что то же самое, разрезав бутылку Клейна по окружности. который перпендикулярен всем заметаемым кругам. Стереографическая проекция превращает эту форму из трехмерного сферического пространства в трехмерное евклидово пространство, сохраняя округлость его границы. Наиболее симметричная проекция получается при использовании точки проекции, лежащей на этом большом круге, который проходит через середину каждой из полуокружностей, но создает неограниченное вложение с точкой проекции, удаленной от ее центральной линии. Вместо этого, если оставить суданскую ленту Мёбиуса непроецированной в 3-сфере, она останется с бесконечной группой симметрий, изоморфной ортогональной группе , группе симметрий окружности.
Схематическое изображение крестовины с открытым дном с указанием ее уровней . Эта поверхность пересекает саму себя на вертикальном отрезке.

Суданская лента Мёбиуса простирается со всех сторон своей граничной окружности, что неизбежно, если поверхность не должна пересекаться. Другая форма ленты Мёбиуса, называемая крестовиной или крестовиной , также имеет круговую границу, но в остальном остается только с одной стороны плоскости этой окружности, что делает ее более удобной для прикрепления к круглым отверстиям на других поверхностях. Для этого он перекрестится. Его можно получить, удалив четырехугольник из вершины полусферы, ориентируя ребра четырехугольника в чередующихся направлениях, а затем склеив противоположные пары этих ребер последовательно с этой ориентацией. Две части поверхности, образованные двумя склеенными парами ребер, пересекаются друг с другом с точкой защемления , подобной точке зонтика Уитни , на каждом конце пересекающегося сегмента, та же топологическая структура, что и в коноиде Плюккера.

Поверхности постоянной кривизны

Открытая лента Мёбиуса - это относительная внутренняя часть стандартной ленты Мёбиуса, образованная путем исключения точек на ее граничном крае. Ему может быть задана риманова геометрия постоянной положительной, отрицательной или нулевой гауссовой кривизны . Случаи отрицательной и нулевой кривизны образуют геодезически полные поверхности, что означает, что все геодезические («прямые линии» на поверхности) могут быть неограниченно продолжены в любом направлении.

Нулевая кривизна
Открытая полоса с нулевой кривизной может быть построена путем склеивания противоположных сторон плоской полосы между двумя параллельными линиями, описанными выше как тавтологическое расслоение линий. Результирующая метрика превращает открытую ленту Мёбиуса в (геодезически) полную плоскую поверхность (т.е. имеющую нулевую гауссову кривизну везде). Это единственная метрика на ленте Мёбиуса с точностью до равномерного масштабирования, которая является одновременно плоской и полной. Это фактор-пространство плоскости по скользящему отражению и (вместе с плоскостью, цилиндром , тором и бутылкой Клейна ) является одним из пяти двумерных полных плоских многообразий .
Отрицательная кривизна
Открытая лента Мёбиуса также допускает полную метрику постоянной отрицательной кривизны. Один из способов увидеть это — начать с модели верхней полуплоскости (Пуанкаре) гиперболической плоскости , геометрии постоянной кривизны, линии которой представлены в модели полуокружностями, пересекающимися с осью под прямым углом. Возьмите подмножество верхней полуплоскости между любыми двумя вложенными полукругами и отождествите внешний полукруг с лево-правым обращением внутреннего полукруга. Результатом является топологически полная и некомпактная лента Мёбиуса с постоянной отрицательной кривизной. Это «нестандартная» полная гиперболическая поверхность в том смысле, что она содержит полную гиперболическую полуплоскость (на самом деле две, по разные стороны от оси скользящего отражения) и является одной из всего 13 нестандартных поверхностей. Опять же, это можно понимать как отношение гиперболической плоскости к скользящему отражению.
Положительная кривизна
Лента Мёбиуса постоянной положительной кривизны не может быть полной, так как известно, что единственными полными поверхностями постоянной положительной кривизны являются сфера и проективная плоскость . Однако в некотором смысле это всего одна точка от полной поверхности, поскольку открытая лента Мёбиуса гомеоморфна проективной плоскости с проколотыми точками, поверхности, полученной удалением любой точки из проективной плоскости.

Минимальные поверхности описываются как имеющие постоянную нулевую среднюю кривизну вместо постоянной гауссовой кривизны. Суданская лента Мёбиуса была построена как минимальная поверхность, ограниченная большим кругом в 3-сфере, но существует также единственная полная (безграничная) минимальная поверхность, погруженная в евклидово пространство, имеющая топологию открытой ленты Мёбиуса. Она называется лентой Микса Мёбиуса по описанию Уильяма Гамильтона Микса в 1982 году, III . Хотя минимальная поверхность глобально нестабильна, небольшие ее участки, ограниченные нестягиваемыми кривыми внутри поверхности, могут образовывать устойчивые вложенные ленты Мёбиуса как минимальные поверхности. Как лента Микса Мёбиуса, так и любая минимальная поверхность большей размерности с топологией ленты Мёбиуса могут быть построены с использованием решений задачи Бьёрлинга , определяющей минимальную поверхность однозначно из ее граничной кривой и касательных плоскостей вдоль этой кривой.

Пространства строк

Семейству линий на плоскости можно придать структуру гладкого пространства, где каждая линия представлена ​​как точка в этом пространстве. Полученное пространство линий топологически эквивалентно открытой ленте Мёбиуса . Один из способов увидеть это — расширить евклидову плоскость до реальной проективной плоскости , добавив еще одну линию, линию в бесконечности . По проективной двойственности пространство прямых на проективной плоскости эквивалентно ее пространству точек, самой проективной плоскости. Удаление линии в бесконечности для создания пространства евклидовых прямых прокалывает это пространство проективных прямых. Следовательно, пространство евклидовых прямых представляет собой проколотую проективную плоскость, являющуюся одной из форм незамкнутой ленты Мёбиуса . Пространство линий на гиперболической плоскости может быть параметризовано неупорядоченными парами различных точек на окружности, парами бесконечно удаленных точек каждой линии. Это пространство, опять же, имеет топологию открытой ленты Мёбиуса .

Эти пространства линий очень симметричны. Симметрии евклидовых линий включают аффинные преобразования , а симметрии гиперболических линий — преобразования Мёбиуса . И аффинные преобразования, и преобразования Мёбиуса образуют 6-мерные группы Ли , топологические пространства, имеющие совместимую алгебраическую структуру, описывающую композицию симметрий. Поскольку каждая линия на плоскости симметрична любой другой линии, открытая лента Мёбиуса является однородным пространством , пространством с симметриями, которые переводят каждую точку в любую другую точку. Однородные пространства групп Ли называются солвмногообразиями , а лента Мёбиуса может быть использована как контрпример , показывающий, что не каждое солвмногообразие является нильмногообразием и что не каждое солвмногообразие может быть разложено в прямое произведение компактного солвмногообразия с . Эти симметрии также предоставляют другой способ построения самой ленты Мёбиуса как групповой модели этих групп Ли. Групповая модель состоит из группы Ли и подгруппы стабилизатора ее действия; стягивание смежных классов подгруппы в точки дает пространство с той же топологией, что и основное однородное пространство. В случае симметрий евклидовых прямых стабилизатор -оси состоит из всех симметрий, переводящих ось в себя. Каждая линия соответствует смежному классу, набору симметрий, которые отображаются на -ось. Следовательно, фактор-пространство , пространство, которое имеет одну точку на класс смежности и наследует свою топологию от пространства симметрий, совпадает с пространством прямых и снова является открытой лентой Мёбиуса .

Приложения

Электрический поток в резисторе Мёбиуса

Помимо уже обсуждавшихся применений лент Мёбиуса для проектирования механических ремней, которые изнашиваются равномерно по всей их поверхности, и коноида Плюккера для проектирования зубчатых колес, другие применения лент Мёбиуса включают:

Ученые также изучали энергетику мыльных пленок в форме лент Мёбиуса, химический синтез молекул в форме лент Мёбиуса и формирование более крупных наноразмерных лент Мёбиуса с использованием ДНК-оригами .

В популярной культуре

Двумерные произведения искусства с изображением ленты Мёбиуса включают безымянную картину 1947 года Коррадо Кальи (увековеченную в стихотворении Чарльза Олсона ) и две гравюры М. С. Эшера : « Лента Мёбиуса I» (1961), изображающие трех сложенных камбал , кусающих друг друга за хвосты; и лента Мебиуса II (1963), изображающая муравьев, ползающих по ленте Мебиуса в форме лемнискаты . Это также популярный предмет математической скульптуры , включая работы Макса Билла ( « Бесконечная лента », 1953), Хосе де Риверы ( « Бесконечность », 1967) и Себастьяна . Лента Мёбиуса, завязанная трилистником , использовалась в фильме Джона Робинсона « Бессмертие » (1982). « Континуум » Чарльза О. Перри (1976) - одна из нескольких работ Перри, исследующих варианты ленты Мёбиуса.

Из-за своей легко узнаваемой формы ленты Мёбиуса являются обычным элементом графического дизайна . Знакомый логотип с тремя стрелками для утилизации , разработанный в 1970 году, основан на гладкой треугольной форме ленты Мёбиуса , как и логотип для экологической выставки Expo '74 . В некоторых вариантах символа переработки используется другое встраивание с тремя полуоборотами вместо одного, а в исходной версии логотипа Google Диска использовалась сложенная вровень лента Мебиуса с тремя поворотами, как и в других подобных конструкциях. Бразильский Instituto Nacional de Matemática Pura e Aplicada (IMPA) использует стилизованную гладкую ленту Мебиуса в качестве своего логотипа, а в их здании выставлена ​​соответствующая большая скульптура ленты Мебиуса. Лента Мёбиуса также использовалась для оформления почтовых марок таких стран, как Бразилия, Бельгия, Нидерланды и Швейцария.

Ленты Мёбиуса часто использовались в качестве источника вдохновения для архитектурного проектирования зданий и мостов. Однако многие из них представляют собой проекты или концептуальные проекты, а не построенные объекты, или расширяют свою интерпретацию ленты Мёбиуса за пределы ее узнаваемости как математической формы или функциональной части архитектуры. Примером может служить Национальная библиотека Казахстана , для которой было запланировано здание в форме утолщенной ленты Мёбиуса, но после того, как первоначальные архитекторы отказались от проекта, оно было отремонтировано с другим дизайном. Одним из примечательных зданий с лентой Мёбиуса является Зал славы NASCAR , который окружен большой скрученной лентой из нержавеющей стали, выступающей в качестве фасада и навеса и напоминающей изогнутые формы гоночных трасс. В меньшем масштабе кресло Мебиуса (2006) Педро Рейеса представляет собой скамью для ухаживания , основание и стороны которой имеют форму ленты Мебиуса. Как форма математики и искусства волокна , шарфы были связаны в ленты Мёбиуса со времени работы Элизабет Циммерманн в начале 1980-х годов. В кулинарии ленты Мёбиуса использовались для нарезки рогаликов , изготовления петель из бекона и создания новых форм для макарон .

Хотя с математической точки зрения лента Мёбиуса и четвертое измерение являются чисто пространственными понятиями, они часто использовались в спекулятивной фантастике как основа временной петли, в ловушку которой могут попасть неосторожные жертвы. Примеры этого тропа включают « Безликий профессор» Мартина Гарднера (1946), « Метро под названием Мебиус » Армина Джозефа Дойча (1950) и основанный на нем фильм « Мебиус » (1996). Весь мир в форме ленты Мебиуса является местом действия Артура Кларка «Стена тьмы» (1946), в то время как обычные ленты Мебиуса используются в качестве умных изобретений во многих рассказах Уильяма Хазлетта Апсона 1940-х годов. Другие художественные произведения были проанализированы как имеющие структуру, подобную ленте Мёбиуса, в которой элементы сюжета повторяются с изюминкой; к ним относятся « В поисках утраченного времени » Марселя Пруста (1913–1927), « Шесть персонажей в поисках автора » Луиджи Пиранделло (1921), « Эта чудесная жизнь » Фрэнка Капры ( 1946), « Затерянные в « Дом веселья » (1968), « Далгрен » Сэмюэля Р. Делани (1975) и фильм « Донни Дарко » (2001).

Один из музыкальных канонов И. С. Баха , пятый из 14 канонов ( BWV 1087 ), обнаруженных в 1974 году в баховской копии « Вариаций Гольдберга» , отличается симметрией «скользящее отражение», при которой каждый голос в каноне повторяет с перевернутыми нотами одно и то же. мотив из двух тактов ранее. Из-за этой симметрии партитура этого канона может быть записана на ленте Мёбиуса. В теории музыки тона, отличающиеся на октаву, обычно считаются эквивалентными нотами, а пространство возможных нот образует круг, хроматический круг . Поскольку лента Мёбиуса представляет собой конфигурационное пространство двух неупорядоченных точек на окружности, пространство всех двухнотных аккордов принимает форму ленты Мёбиуса. Эта концепция и обобщения на большее количество точек зрения являются важным приложением орбифолдов к теории музыки . Современные музыкальные группы, получившие свое название от ленты Мебиуса, включают американское электронное рок-трио Mobius Band и норвежскую прогрессив-рок-группу Ring Van Möbius .

Ленты Мёбиуса и их свойства использовались при разработке сценической магии . Один из таких трюков, известный как афганские ленты, использует тот факт, что лента Мёбиуса остается одной полосой, если ее разрезать по длине. Он возник в 1880-х годах и был очень популярен в первой половине двадцатого века. Существует множество версий этого трюка, которые исполнялись известными иллюзионистами, такими как Гарри Блэкстоун-старший и Томас Нельсон Даунс .

Смотрите также

  • Счетчик Мебиуса , регистр сдвига, выходной бит которого дополняется перед возвратом во входной бит.
  • Треугольник Пенроуза , невозможная фигура, граница которой, кажется, огибает его лентой Мёбиуса.
  • Теория лент , математическая теория бесконечно малых полос, следующих за узловатыми пространственными кривыми.
  • Аттрактор Смейла – Вильямса , фрактал, образованный путем многократного утолщения пространственной кривой до ленты Мёбиуса и последующей замены ее граничным краем.
  • Пупочный тор , трехмерная форма с границей, образованной лентой Мёбиуса, склеенной сама с собой по одному краю.

Примечания

Рекомендации

Внешние ссылки