Tuesday, December 18, 2012

紙環內,垂直於紙面的一個法向量,總是由紙面指向圓形紙環的環心處

紙環

內,垂直於紙面的一個法向量,總是由紙面指向圓形

紙環

的環心處,在紙環外,垂直於紙面的一個法向量,總是指向外面;但是對

M
öbius 帶而言,就沒有這種情形

1


生生不息的莫比烏斯帶

―拓 撲 學 奇 趣


一、 什麼是拓撲學


拓撲學(

Topology)是在19世紀末興起並在20世紀中迅速蓬勃發展的一門

數學分支,其中拓撲變換在許多領域均有其用途。直至今日,從拓撲學所衍生

出來的知識已和近世代數、分析共同成為數學理論的三大支柱。

拓撲學的最簡單觀念產生於對周圍世界的直接觀察。直觀的說,關於圖形

的幾何性

質探討,不限於它們的“度量”性質(長度、角度等等)方面的知識。

拓撲學

探討各種幾何形體的性質,但是其內容卻與幾何學的範疇不盡相同,多

數的

討論都是圍繞在那些與大小、位置、形狀無關的性質上。

例如

,曲線(繩子、電線、分子鏈…)不論有多長,它可以是閉合或不是

閉合

的。如果曲線是閉合的,則它可以是“纏繞”得很複雜的。兩條以上的閉

曲線可以互相套

起來,而且有很多型式。立體及它們的表面可以是有“孔洞”

的,在不

割裂、破壞孔洞下,它們允許做任意的伸縮及變形。這種變形不會減

少或增加孔動

數量,就叫做它的“拓撲性質”。一個橡皮圈,在它的彈性限度

內

,任憑我們把它拉長、扭轉,只要不把它弄斷,那麼它永遠是一個圈圈。拉

長

使它的長度改變了,扭轉使它的形狀改變了,然而在拓撲學上不會理會這些,

只

是專注在“它永遠有一個圈圈”上。

A.

拓撲同胚與等價性質

拓撲學

只探討各種幾何形體的內稟特質。一個幾何圖形的性質,經由一拓

撲變換

作用後維持不變,該性質稱為圖形的拓撲性質。下面兩組圖形從拓撲變

換

角度來看,它們分別是“等價”的。

等
價等價

任

何三角形、方形、圓形及橢圓的內稟特質,從拓撲學的立場看來,它們

都

沒有任何區別。然而,在初等幾何學中,這些圖形的形狀、面積、周長等都

是不

相同的。

2


如果

我們把一個橡皮製的物體X任意的扭轉、拉長,但不可把它撕開或弄

斷

,而得到另一形狀的物體Y,我們稱這兩個物體X和Y在拓撲上是一種“同

胚

”或“等價”的結構。廣義的來說,在一個物體到另一個物體的對應關係,

如果它

是不間斷,又不重複,則在拓撲上稱這個關係在兩物體間建立一個“同

胚

”變換。兩個物體間如果存在有這種關係,則稱它們為“拓撲同胚”。

例如

,任意一個三角形在任意延伸、伸縮的變形變換中,可以疊合住一個

圓

形。所以這個延伸、伸縮變換是一種同胚變換,因而三角形和圓形在拓撲上

被視

為是同胚或等價的。

拓撲學

就是探討同胚的拓撲空間所共有的性質之一門學科。網路、歐拉定

理、

曲面、向量場、四色問題、結、覆蓋等,都是拓撲學研究的重要課題。

B.


不可思議的拓撲變換

法國著名

數學家龐加萊(Poincaré, 1854〜1912)以他豐富的想像力及抽象

的

思維能力,提出下圖中的兩個物體是等價(同胚)的,也就是說,您可以從

其中一

個開始,經由拓撲變換得出另一個,您認為可能嗎?

龐

加萊的變換魔術:請注意下面的變換!在拓撲上,只要不破壞原有結構,

任意伸縮

變形是被允許的,因為總能找到一個同胚的對應來描述這個動作。

龐

加萊的奇怪想法:

在

車輪內胎上有一個小洞,能否在不撕壞車胎的前提下,通過小洞將車內胎翻面過來(裡面翻到外面)?如果可以,該如何操作?

?


3


二、莫比烏斯(

Möbius)帶

在1862

〜1865年,德國數學家莫比烏斯(Möbius)和利斯廷的著作中出現

了

一種有邊緣的曲面。它可以這樣得到:把長方形紙條扭轉一次,然後把兩端

接起來。

這樣得到的曲面叫做Möbius 帶。

關於M

öbius帶是怎樣發現的﹐有這樣一個故事:有一次﹐莫比烏斯在海濱

度

假。到了晚上﹐蒼蠅太多﹐使他難以入睡。於是他把黏蠅紙扭轉半圈﹐然後

把

兩端粘到一起﹐形成一個紙環。再把這樣的紙環掛在假期別墅的椽頭上。他

臨時

製作的捕捉蒼蠅的紙帶很管用﹐他睡覺沒有再受蒼蠅的干擾。早晨醒來﹐

他

的目光落在那個紙環上﹐驚訝地發現這條紙只有一個面﹐並且只有一條稜。

著名

的Möbius 帶於是誕生。

A.

單側的曲面

這個

扭轉一次紙帶所得到的Möbius帶有何特別的幾何性質呢?我們看下面

這個

一般的紙環,在紙環內,垂直於紙面的一個法向量,總是由紙面指向圓形

紙環

的環心處,在紙環外,垂直於紙面的一個法向量,總是指向外面;但是對

M

öbius 帶而言,就沒有這種情形。

對M

öbius帶而言,它是一種單側的曲面。譬如說,在九章的標誌中,沿著

帶

子上移動的人,路途中會經過他移動的起始點,但是卻在另一側。如果他繼

續移

動,則會把整個Möbius 帶都走遍。所以可以確定它沒有第二側!

4


B.

從Möbius 帶中間剪一刀

取

一隻筆,在製作好的Möbius帶上畫上下圖中昆蟲所走的軌跡,然後取一

把

剪刀,將Möbius 帶沿軌跡剪開。您有什麼發現呢?

從

上面操作中發現,剪一刀後的Möbius帶並不會被分成兩個紙環,而是形

成一

個更大的紙環。您知道為什麼嗎?

如果

我們將Möbius帶的紙面寬畫上三等份,沿兩條等分線剪開,及結果會

如

何?又剪三刀成為四等份呢?

C. M

öbius 帶與紙環的拓撲同胚結構

從一

條紙帶扭轉一次接合後得到Möbius 帶,經過剪刀剪一刀後,得到一個

瘦

長的紙環,它是一個紙帶扭轉三次接合後的圖形。可以發現它們都是單側的

圖形。

從

上述拓撲觀點來看,在它們之間存在一個變換,維持了它們都是單側的

性

質,稱它們是同胚的。想一想,一個未經扭轉的紙環和一個經由兩次扭轉所

得

的紙環,是否是同胚?

三、 雙人脫困遊戲


在

下圖中,如果不解開手腕上的繩結,不破壞、剪斷繩子下,怎樣幫助他

們

脫困?將這一對男女分開呢?找一個周遭的同伴一起動手操作試試看!

5


四、

Puzzle !!!

在

下圖中,最初在位置A的金屬環能否被移往位置B的地方呢?如果可以,

該

怎麼移動?用塊厚紙板鑽幾個洞,作個玩具試試。

五、 繩圈


人類自

從會使用繩子,就會打繩結,結繩圈。各種的繩結的功用可能都一

樣

,為了穩固物體而做,但是打繩結的方法卻是千奇百怪。為了研究它們在幾

何形

狀上本質的差異性,我們把繩的兩端黏合起來,成為沒有端點的繩圈。這

個

想法就像上述討論Möbius帶一樣。對許許多多的繩圈而言,能不能經過一連

串

的連續變換,變成一種相同的繩圈呢?如果可以,那麼在拓撲觀點上這些繩

圈

也就沒有分別了。

下面

是兩個繩結,做兩個實物模型把玩一番,您就會發現它們是不同的!

如果

把繩的兩端黏合起來,成為具有繩結又沒有端點的繩圈,那麼就更容

易

用數學來描述它們。如下圖所示,我們分別稱它們為“右手三葉結”及“8字

形

結”。

A.

什麼是紐結、鏈環

為

了在數學上更貼切的描述繩圈,我們定義什麼是“紐結”。簡單地說,

6


紐

結就是三維空間中簡單的閉曲線,而簡單的閉曲線,意思是連通的(連成一

體

的)、封閉的(沒有端點的)、不自交的(自己跟自己不相交,即沒有黏合處

的)

曲線。所以,一個平面上的圓圈是一個紐結,它是一個未打結的紐結,我

們

稱它為一個“平凡紐結”。

除

了繩圈可以打結外,繩圈與繩圈之間還可以互相鈎連、套扣,這也是日常

生

活中常見的現象,諸如鐵鏈、鑰匙圈等等。因此,我們再定義“鏈環”的概

念

:由許多條互不相交的簡單閉曲線所構成的空間圖形稱為鏈環,並稱每一條

閉曲線

為其“分支”。下面是具有兩個分支的鏈環。

如果

一個紐結(或鏈環)可以經過繩圈的移位變形變成另一個,我們就說這兩個紐結(或鏈環)是等價的,或同痕的,有時乾脆把兩個等價的紐結(或

鏈

環)視為相同的。

B.

紐結的投影圖

在

現實生活中,描述空間的圖形通常是用照片,而照片就是一種取適當方

位

投影的圖像。對於紐結與鏈環,我們也選取它的一個投影圖來描述它。但是,

這種

投影圖要能很適切地表示紐結與鏈環,所以選什麼樣的投影圖是有一定標

準

的,不能隨意給出一張重疊處圖意不清,無法辨別有幾個重疊點的投影圖來

描述

一個紐結或鏈環,因為這無助於進一步的判別與分析。

準

確地說,我們要求投影圖要滿足:只有有限多個重疊點;每個重疊點都

是

二重點;在每個二重點處,上下兩線的投影都是互相穿越交叉的。也就是說要避免下面的圖像:

當

我們說到投影圖時,總是指已經用虛實線標示出交叉情況的圖。在左下

圖

這樣一個由自身相交的閉曲線所構成的平面圖形,在每個分岔點處都是四個

岔

的,我們稱之為“四岔地圖”。所以每張投影圖都可以確定一張四岔地圖,

但

是反過來說,從四岔地圖卻無法確定該投影圖,因為每個分岔點有兩種可能

7


交

叉的情況。

因

此,從有n 個分岔點的四岔地圖一共可以得到2n張不同的投影圖,它們

所代

表的紐結或鏈環卻不一定互不相同。下圖是從最左邊那張四岔地圖所得到

的幾

張投影圖。

C.

用實驗的方法來判斷以下各對鏈環是否等價?

(a)
右手三葉結(b) 8字形結

(c) 最簡單的
圈套(d) 懷特海德鏈環

(e)
右手三葉結與左手三葉結(f) 方結與懶散結

右手

三葉結左手三葉結方結懶散結

(g)
反懷特海德鏈環與正懷特海德鏈環

反懷

特海德鏈環正懷特海德鏈環

8

R3 R1


D.

投影圖的三種基本變換

紐

結與鏈環可以用投影圖來確定,然而等價的鏈環可以有不同的投影圖。

因

此,要利用投影圖來研究紐結理論,就必須弄清楚繩圈在空間中的移動變形

是

如何在投影圖上反映出來的。

德

國數學家瑞德邁斯特(Reidemeister)在20年代指出,紐結與鏈環的同痕

本

質上是由投影圖的三種基本初等變換(R1、R2、R3)來刻劃的。

R1

: 消除或添加一個卷

R2

: 消除或添加一個疊置的二邊形

R3

: 三角形變換

這

三種初等變換是在投影圖的局部進行的,在變換的那部份除了所畫出的

線以

外不能有別的線介入。例如

不是一

個合法的R1 變換,它與正確的作法所得到的結果不一樣:

9

R2 R1


R1 R1

R2 R3

R3 R3


瑞

德邁斯特指出,如果空間中的一個鏈環可以經過繩圈的移位變形變成另一個鏈環,那麼第一個鏈環的投影圖一定可以通過一連串的初等變換變成第二

個鏈

環的投影圖。

此

外,我們還允許投影圖作“平面變形”,也就是說當把平面看成一個薄

膜

時,刻畫在平面上的圖可能隨平面的伸縮、拉長,產生形變。從下圖來看便

可以

了解到什麼是平面變形了!

E.

用初等變換鑑別鏈環

要

證實兩個鏈環的等價性,只須用繩子各做一個模型,然後把一個變成另一個。如果要用投影圖來證明它們等價,則應該找出一串由R1,R2,R3 變換

及

平面變形所組成的變換,把一個投影圖變成另一個。原則很簡單,實際卻不

一

定容易。

簡單的

例子:

不

輕鬆的任務:8 字形結與其鏡像等價!

10


如果

我們不拘泥於初等變換,那麼下面的圖將更容易使人相信!圖中用粗

實

線與粗虛線表明把那條線挪到那個位置。線條只挪動了一次,其餘都是平面

變形。


向

勇敢的讀者挑戰:下圖兩個紐結投影圖各有13 交叉點,在1985 年時就

已

經知道它們是等價的。您能利用初等變換及平面變形給出證明嗎?

問題

:請利用初等變換及平面變形證明下面三個投影圖代表同一個紐結。

六、

85 種打領結的方法

日

常在正式的場合裡,男士的穿著通常須要打領帶。但是幾乎沒有人問「為

什

麼我們每天打領帶的方式都是一成不變?有沒有別的方法?」

這個

問題及其解答被英國劍橋大學聲名顯赫的卡文迪斯實驗室(Cavendish

11

Laboratory)

裡的兩位數學物理學家Thomas Fink 與Yong Mao 提出。由於其解

答

使眾人甚感興趣,所以他們的論文被刊登在全世界著名的科學雜誌Nature上。

Fink 和Mao 分析領

結的方法的確是體現數學家如何將實際生活中的問題加

以

組織、抽象而克服之的好例子。

第

一、領帶有兩端,但是在打領結時通常只移動較寬的那端來纏繞而成。

Fink 和Mao

稱此端為操作端。第二、領帶及其結將人的前胸分割為三個區域:

右側

、左側和在領結上方、喉嚨下方,稱之為中央的區域。打領結的動作就是

把

領帶的操作端在這三個區域內變動。第三、每一個動作是把領帶的操作端在

朝

向襯衫和背向襯衫二種情況交互變換,朝向襯衫的下一步恆為背向襯衫。打

領帶

動作的最後一步是非常特別的,Fink 和Mao 稱此活動端穿過結的中間而下

拉

的動作為穿透(用記號T表示)。

領帶

結本質上是一種拓撲結構:實際去構造它們可使它們更易於被理解。

藉

由觀察打領帶結的方法與在三角化格點上持續移動的對應圖,隱含在領帶結

中的拓撲

結構可透過適當地操作其投影像來探討。我們由此導出領帶結的對應

規

則,並根據領帶結的大小、形狀及結的數量加以分類。美觀的結具有對稱性

及

平衡性的特質。

在

這85種領帶結中,有些是常見的結法。我們重現4 種傳統的結法及介紹

9

種新式、優美的結法。對於一些須要耗費較多步數(雖然不切實際)的結法,

我

們只陳列一些漸近的結果。

A.

最常用的領結

大

部份的男士都會兩種領結。最簡單、最常用的領結是四手式(Four-in-hand)

的領

結,它起源於19世紀的英格蘭:車伕用這種結栓住牲畜的脖子,以免使他

的

駟馬車失控,這個領結至今仍甚為流行。溫莎公爵曾創造一個結,現稱為溫莎結,它是一種較大的領結,於1930年代末期因溫莎公爵(愛德華八世的前任)

而

流行。溫莎領結後來它衍生出一個較小的結,稱之為半溫莎領結。第四種領

結

叫做柏蒂(Pratt)領結,它發明於1989年,在此年Pratt結被印成許多大張海

報

而風靡全世界,而這個結是近50 年內首次出現的新領結。

據歷史

所述,領結通常不是偶然發現的。與其等待半個世紀期待另一種領

結

的出現,Fink 和Mao 撰寫論文認真地探究它。

B.

領結是一種活動的結

領帶圍在

頸子上,操作較寬(活動)的一端環繞較窄(被動)的一端,使

12


得

完成後的結,後者仍能自由活動。一個領結出初始時是活動端由朝向左側,

從

上方或下方包住被動端,形成一個三角形的基底。這時將空間分割成右、中

和

左(R、C、L)三個區域,如下圖。

從

右方開始的結與從左方開始相對應的結互為鏡射全等,我們可以省略討

論

這一類的結。一個結是利用操作活動端連續在上述三角基底纏繞,這個步驟

可以

想成是一系列的,從某個區域到另一個區域旋轉半圈的動作,活動端的位

置及方

向可以用R、RU、C、CU、L、LU 等6 種記號來表示,其中R,C,

L是

指活動端朝向的方向,另以符號、U分別表示從前方看去(或說從紙面(襯

衫

)上方望下)活動端是遠離紙面(襯衫)向外移動或朝向紙面(襯衫)向內移動,可以把它們(、U)看成是一支箭的箭頭與箭尾。前述R、RU、C…

等等

的記號,也可以看成是將活動端作任意次數旋轉半圈到對應位置上的動作

記號

(如下圖)。因此,類似記號RL等等所表示的一連串動作是不可能做到

的。同理,R

U的下一步也不可能是R。據此,記錄這一連串動作的過程必在

與

U間交錯變動,並且任兩個連續的動作不可能在相同的區域內產生。

…

L… …C… …R…

…

LU… …CU… …RU…

L

… LU…

L

C C

R

R

L


13


想

完成一個結,最後活動端必須繞到前方位置,也就是說,無論從RLU或

L

RU,接這必須從正中間穿出(即C),最後穿過在上一系列步驟中於前方所

圍

繞的圈(結尾符號記作T,但不算作一個步驟)而完成領結。

現

在我們可以將一個領結用一系列的移動記號(稱為結列)來表述,這些移動

記號

從集合{R,RU,C,CU,L,LU}中選取,它從L或LU開始,而最後以

R

LUCT或LRUCT作結尾。這一系列動作是受約制的,任兩個連續的步驟

不

可以指向相同的區域或方向。例如:四手式的完整結列如下圖所示。

C.

視領結為隨機的移動

之

前所介紹領結的記錄,允許我們把這些結列看成是在三角格子點上的移

動

。我們以r,c 及l三個軸代表移動至R,C及L三個區域,並且以單位向量rˆ,

c


ˆ及 lˆ表示相對應的動作。因為連續的動作其方向必在與U間交錯變動,且

最

後的方向必是。若從U開始必移動偶數步,而從開始必移動奇數步,若省

略

領結移動的文字表述中的方向記號及U也不致於會造成混淆。

…

(RLUC)T …(RRUC)T

L

URLUCT

r

c

l


14


由

於只在三叉式的區域內移動,我們可規定每一步驟都是沿著軸的正的方

向

移動,並且任二個連續的移動不會相同。雖然如此,格點上的任何位置均可

達

到。我們可得到關係式- cˆ= rˆ+ lˆ,2cˆ= cˆ+ lˆ+ cˆ+ rˆ+ cˆ.

D.

結的大小

我

們將結的大小定義為一個結列中移動的步數,並將結依大小分類。在結

移

動的文字標記中,結的大小就等於記號的個數。我們將結的大小(即旋轉半

圈

的次數)記作h。聯繫第一步及最後一步的條件可知,最小的結是LRUCT,

其大

小h = 3。基於美學的考量,領結的大小必須是有個上限的,不然打出的領

結又

短又胖。經實際估算,我們建議h £ 9。

依

結的大小我們定義函數K(h),它的值等於在限制第一步及最後一步的條

件

下,大小為h 的結的個數。我們規定K(h)是第一步為lˆ,大小為h 的結。令

函

數Frˆ(n)為從lˆ開始、rˆ結束,大小為n 的結的個數;函數Fcˆ(n)為從lˆ開始、

c


ˆ結束,大小為n 的結的個數。

由

於任何一次的移動都可以有二個其他的區域可選擇,因此我們可得

1


ˆ

( ) ˆ( ) ˆ( ) 2 + + = n-

F

r n Fc n Fl n
. (1)

因

為在最後幾個步驟的排列只能是rˆlˆcˆ或lˆrˆcˆ二種,所以我們只須討論

n


= h - 2次移動的情況即可,這些移動由lˆ開始,以rˆ或lˆ結束,而剩下的最後

二

步的移動方式則無自由選擇的餘地。

我

們由考慮Fˆ(n) l 開始,因為lˆ的前一步可能是rˆ或cˆ。因此,

F

l
ˆ(n + 2) = Frˆ(n +1) + Fcˆ(n +1) (2)

同理

可得

2 ( ) ( ) ( )

( 2) ( ) ( ) ( ) ( )


ˆˆˆˆˆˆˆˆ

F n F n F n

F n F n F n F n F n


l c r

l l c l r



= + +

+ = + + +


(3)


結

合(1)及(3)可得

1


ˆ

( 2) ˆ( ) 2 + = + n-

l l

F n F n
(4)

由初

始條件ˆ(1) =1 l F , ˆ(2) = 0 l F 解遞迴關係式(4)可得

(

2 1 )

ˆ

2 ( 1)

3

( )

= 2 n- + - n-

l

F n
註 (5)

F

r
ˆ(n)的遞迴式與(4)類似,只是初始條件為Frˆ(1) = 0,Frˆ(2) =1。據此可得

15


(

n n )

F

r n
2 ( 1)

3

( ) 1

1

ˆ

= + - - (6)

大

小為h 的結的數量等於由lˆ開始移動h - 2步,而以rˆ或lˆ結束的結的數

量

。此即

(

2 2 )

ˆˆ

2 ( 1)

3

( )

= ( - 2) + ( - 2) = 1 h- - - h-

K h F

r h Fl h

其中,

K(1) = 0 .

所

以,我們所關注的結之全部數量為

0 0 1 1 3 5 11 21 43 85.

(1) (2) (3) (8) (9)


= + + + + + + + + =


K


+ K + K +L L + K + K

E.

結的形狀我們以旋轉半圈的次數來刻劃結的大小,但是這樣仍無法描述結的形狀。

從

實際操作中可以發現,結的形狀與lˆ、rˆ、cˆ等移動有關。由於對稱的考量,

通

常lˆ與rˆ的移動數量相同,所以我們以cˆ的數量g 來刻劃結的形狀。

具

有相同h 與g 的結,我們把它們歸為同類。比值g h愈小的結,其寬度愈

細

小。例如:四手式的領結g h =1 4;比值g h愈大的結,其寬度愈寬厚。例如:

溫莎

結g h = 3 8。

一

般而言,0 < g h <1 2,而g h <1 6太細且不平衡,並不美觀。所以只考

慮

1 6 < g h <1 2的情形。合乎此條件的結有

{(

g ,h) } = {(1, 3), (1, 4), (1, 5), (2, 5), (1, 6), (2, 6), (2, 7),

(3, 7), (2, 8), (3, 8), (2, 9), (3, 9), (4, 9)}

等13 種。

這
13 種合乎此條件的結列表如下:

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