知乎日报 前天 17:41
三维空间有莫比乌斯环,四维空间有克莱因瓶,五维六维有什么?
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文章深入探讨了高维空间中不可定向流形的复杂性,以莫比乌斯环和克莱因瓶为例,解释了二维流形的粘合方式及其不可定向的本质。文章介绍了对径映射和实射影空间的概念,并分析了更高维度的球面粘合如何生成实射影空间,如HP^2和HP^3。特别指出,四维空间在拓扑分类上存在异常的困难,可能存在无限种拓扑不同的四维不可定向流形,这使得克莱因瓶的推广变得尤为棘手,同时也强调了在高维几何中数学语言推导的重要性。

✨ 二维流形的不可定向性源于特殊的粘合方式,例如莫比乌斯环由反向粘合纸带构成,只有一条边;克莱因瓶则通过反向粘合圆柱面形成,是一个无边界的二维不可定向流形。二维空间存在三种基本的粘合方式,决定了其流形的性质。

🌟 对径映射是理解高维不可定向流形的关键概念,它将球面上的点与其对面点进行映射。通过将球面上的对径点粘合,可以得到实射影空间(如RP^n),这是不可定向流形的重要例子。例如,将S^2的对径点粘合得到RP^2,它与克莱因瓶同类但拓扑不等同。

🚀 四维空间在拓扑上具有特殊性,其流形的分类问题异常困难,甚至可能不可判定。与二维和五维以上有序的拓扑分类不同,四维空间存在大量拓扑结构复杂的不可定向流形,例如通过“杂交”克莱因瓶和球面等方式构造的流形,这使得高维不可定向流形的推广充满挑战。

📐 惠特尼发现实射影空间RP^n仅在偶数维度是不可定向的,并且任何n维流形都可以嵌入到高维空间中。文章指出,虽然三维和五维以上空间在拓扑上相对清晰,但四维的复杂性使得对克莱因瓶的推广研究面临巨大困难,需要八维空间才能嵌入某些构造的四维不可定向流形。

酱紫君,QQ群1014125

高维复杂得多,因为可以粘合的方向变多了,没那么好推广。

莫比乌斯环和克莱因瓶都是二维不可定向流形,一维和三维不存在不可定向流形,所以要思考四维不可定向流形的更高维嵌入,这就烧脑了。

而且做拓扑的应该都知道,四维是特殊的,哪怕更高维度都没四维复杂。


所谓不可定向,可以简单理解为绕了一圈,左右手互换了。

考虑二维平面,其实存在三种粘合方式:

考虑一条纸带,同向粘合就是圆柱,反向粘合就是莫比乌斯环。

考虑一个圆柱,同向粘合就是甜甜圈,反向粘合就是克莱因瓶。

你比较聪明的话就会在这里发现一个 bug,那莫比乌斯环两条边不也可以正向或者反向粘合吗?

这不还有两类吗?

Sorry,莫比乌斯环只有一条边,你可以自己粘一个,真的只有一条边,没法再粘合。

所以才说二维有三种粘合方式。


总之面对高维空间几何直观已经不够用了,我们必须使用严格的数学语言来推导。

想象一条无限大的矩形纸带

,定义操作

在该变换下我们将所有能通过这个平移操作联系起来的点视为同一个点。

相当于把纸带卷起来,得到一个无限长的圆柱面,这仍是一个可定向的曲面。

再规定一个扭曲操作

,该变换把纵坐标翻转了,这个翻转在代数上等价一个反射操作,正是它向空间中注入了不可定向的性质。

这种特殊翻转推广到更高维度被称为对径映射(Antipodal Map)。


想象一个

维球面

,它是

空间中的单位球面。

对径映射可以把球面上的每一个点

瞬间移动到它正对面的那个点

打个比方,地球上的北极点和南极点建了个传送门互通,这就是一种对径映射。

这个操作可以用一个只有两个元素的群

来描述,其中

是单位操作,

是对径映射。

现在考虑一个非常抽象的粘合操作,把

上所有互为对径的点都视为同一个点,这个操作得到的商空间,就是实射影空间

这玩意儿比克莱因瓶还要抽象一点。

就是将一维圆环

的对径点粘合,粘合后得到的还是一个圆。

所以

,并且仍然是可定向的。

要将二维球面

的对径点粘合,得到的就是上图的抽象玩意儿,这是一个二维不可定向流形,没有边界。

它和克莱因瓶是同类,都是二维紧致不可定向流形,只是在拓扑上不等同。

要将位于四维空间

中的三维球面

的对径点粘合。

这是一个三维流形,奇妙的是这个流形在拓扑上等同于我们熟知的三维旋转群

因此它是可定向的。

继续计算高维推广,惠特尼发现实射影空间

仅在偶数维度不可定向。

另外惠特尼强嵌入定理还指出,任何一个

维流形,无论是否可定向,总可以被嵌入到

中。

所以我们要考虑的推广就是

嵌入。


不过四维是被诅咒的维度,这里面水太深了。

二维世界很乖,任何紧致无边界的二维流形,要么是可定向的,要么是不可定向的,可以被完全分类。

三维的世界差不多被探索完了,任何紧致的三维流形都可以通过切割和分解,最终得到由八种标准几何结构中的一种所支配的流形块的连通和。

五维以上的世界也是井然有序,早已被微分拓扑征服。

但是四维空间上流形的分类问题异常困难,而且搞不好是不可判定的。

我随便构造一些妙妙屋。

取一个位于

中的四维球面

,然后将每一对对径点粘合在一起,得到

,这东西的嵌入需要

但是如果取一个二维不可定向的克莱因瓶

和一个二维可定向二维球面

,想象一个克莱因瓶,每一个点上都“挂”着一个完整的二维球面。

一个

维流形

和一个

维流形

的乘积

可以嵌入到各自嵌入空间的和中。

既然克莱因瓶

嵌入

,而球面

嵌入

,那么

可以嵌入到 7 维空间

这还没完,在两者身上各自挖掉一个小小的四维球体,在每个流形上下一个三维球面

作为伤口,然后将这两个三维球面的边界对齐粘合起来,串成一个高维糖葫芦

这东西也是不可定向的,应该需要 8 维空间

才能嵌入,长成这样我也不是很确定。

而且还能继续使用类似手段杂交下去。

总之似乎有无限种拓扑不同构的四维不可定向流形,外加一般需要八维空间才能嵌入,克莱因瓶的推广困难重重。

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拓扑学 不可定向流形 莫比乌斯环 克莱因瓶 实射影空间
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