Реферат: Лист Мёбиуса

Лист Мёбиуса

План

Введение

1.   Историческая справка

2.    Топология, как часть геометрии

3.   Лента Мёбиуса, её свойства

4.   Применение ленты Мёбиуса в геометрии

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В своем реферате я постараюсь решить следующие задачи:

. Изучить историю возникновения листа Мёбиуса, обычно называемого лентой Мёбиуса, её свойства.

. Проведу разнообразные эксперименты с лентой Мёбиуса.

. Покажу геометрическое применение ленты Мёбиуса.

. Выясню, нашла ли лента Мёбиуса практическое применение в повседневной жизни.

Задача изучения различных свойств и нестандартных применений в наше время является довольно актуальной. Существует гипотеза, что наша Вселенная замкнута в эту самую ленту. Согласно теории относительности - чем больше масса, тем больше кривизна пространства. Более того, эта теория согласуется с предположением, что космический корабль, все время летающий прямо, может вернуться к месту старта, что подтверждает неограниченность и конечность Вселенной. Из этого можно сделать вывод о реальности теории зеркальных миров - ведь если астронавты совершат путешествие по ленте Мёбиуса и вернутся в исходную точку, то они превратятся в своих зеркальных двойников.

Кроме того, есть гипотеза, что спираль ДНК тоже является сама по себе фрагментом ленты Мёбиуса, и только поэтому генетический код так сложен для расшифровки и восприятия. Такой подход к структуре ДНК вполне логично объясняет причину наступления биологической смерти - спираль замыкается сама на себя и происходит самоуничтожение. Или аннигиляция, как подтверждают физики. Они также утверждают, что на свойствах ленты Мёбиуса основаны все оптические законы. В частности, отражение в зеркале - это своеобразный перенос во времени, краткосрочный, длящийся сотые доли секунды, ведь мы видим перед собой зеркального своего двойника.

В процессе работы над рефератом я использовал «Математические чудеса и тайны» М. Гарднера (стр. 43-48), «Курс наглядной геометрии» Е.С. Смирновой, 6 класс (стр. 63-67), «Современный словарь иностранных слов» (стр. 146, 468, 579, 612), «Наглядную геометрию» И.Ф. Шарыгина и Л.Н. Еранжиевой, 5-6 класс (стр. 69-72), «Энциклопедию для детей. Математика» (стр. 111-112), ресурсы Интернета.

1. Историческая справка

Таинственный и знаменитый лист Мёбиуса придумал в 1858 году немецкий геометр и астроном, профессор Лейпцигского университета Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868 гг.), ученик «короля математиков» Гаусса.

Мёбиус был первоначально астрономом, как Гаусс и многие другие из тех, кому математика обязана своим развитием. В те времена занятия математикой не встречали поддержки, а астрономия давала достаточно денег, чтобы не думать о них, и оставляла время для собственных размышлений. И Мёбиус стал одним из крупнейших геометров XIX века.

В возрасте 68 лет ему удалось сделать поразительное открытие. Это открытие односторонних поверхностей, одна из которых - лист или лента Мёбиуса. В научных источниках говорится, что Мёбиус взял однажды бумажную ленту, повернул один её конец на пол-оборота (то есть на 180^о), а потом склеил его с другим концом. То ли от скуки он это сделал, то ли научного интереса ради - теперь уже неизвестно. По одной из версий, открыть ленту Мёбиуса помогла служанка, сшившая неправильно концы ленты банта. Относится она к числу так называемых «математических неожиданностей». Работу, включающую сведения о ленте, Мёбиус отправил в Парижскую академию наук в 1858 году. Семь лет он дожидался рассмотрения своей работы, и, не дождавшись, опубликовал её результаты.

2. Топология, как часть геометрии

Геометрия - как известно, слово греческое, в переводе на русский язык означает землемерие, изучает свойства фигур. Как и любая наука, геометрия делится на разделы:

1. Планиметрия (от латинского планум - поверхность, плоскость) - раздел геометрии, изучающий свойства плоских фигур (треугольник, квадрат, круг, окружность и т.д.).

. Стереометрия (от греческого стереос - пространство) - раздел геометрии, изучающий свойства пространственных (объёмных) фигур (шар, куб, параллелепипед и т.д.).

. Топология (от греческого топос - место, местность) является одним из самых «молодых» разделов современной геометрии, в котором изучаются свойства таких фигур, которые не изменяются при деформациях (растяжение, сжатие), не допускающих разрывов и склеивания. Родоначальниками топологии были немецкий учёный Георг Кантор (1845 - 1918 гг.), Павел Сергеевич Александров (1896 - 1982 гг.).

С точки зрения топологии баранка и кружка одно и тоже. Сжимая и растягивая кусок резины можно перейти от одной из этих фигур к другой. А вот баранка и шар - уже будут разными объектами: чтобы сделать отверстие, надо разорвать баранку.

Среди букв русского алфавита есть топологически одинаковые фигуры

А-Д, Г-С, С-П, 3-Э, Т-У.

Лента Мёбиуса - тоже топологический объект. Это - простейшая неориентируемая поверхность с краем, односторонняя в обычном трёхмерном евклидовом пространстве R³. Попасть из одной точки этой поверхности в любую другую можно, не пересекая края.

3. Лента Мёбиуса, её свойства

Как сделать ленту Мёбиуса?

Возьмём прямоугольную бумажную полоску, перекрутим на пол-оборота один её конец и приклеим его к другому концу той же полоски. Эту модель и называют: «лента Мёбиуса». Обладает она интересными свойствами. Для того, чтобы узнать о них, мною проведены несколько экспериментов, в которых постарался ответить на вопросы:

. Если начать закрашивать ленту Мёбиуса с одной стороны, не переходя через край, то какая часть ленты окажется закрашенной?

. Что получится, если разрезать ленту Мёбиуса вдоль посередине?

. Что получится, если разрезать ленту Мёбиуса вдоль, отступив треть от края?

. Что получится, если перекрутить ленту дважды, а потом разрезать вдоль посередине?

И вот что у меня получилось:

. У ленты Мёбиуса всего одна сторона. Убедимся в этом: возьмём кисть и краску, начнём постепенно окрашивать ленту в какой-нибудь цвет, начиная с любого места. После окончания лента у нас полностью окрашена. В книге «Что такое математика?» Рихард Курант и Герберт Роббинс писали: «Если кто-нибудь вздумает раскрасить «только одну» строну поверхности мёбиусовой ленты, пусть лучше сразу погрузит ее в ведро с краской».

. Попробуем разрезать обычную цилиндрическую поверхность и лист Мёбиуса по средней линии

«Обычное» (цилиндрическое) кольцо распалось на два куска, а лента Мёбиуса превратится в одно перекрученное кольцо, причём оно перекручено дважды и вдвое длиннее, но уже. Еще удивительнее то, что полученное кольцо уже двустороннее.

. Если разреза́ть ленту Мёбиуса, отступая от края приблизительно на треть её ширины, то получаются две ленты, одна - более тонкая лента Мёбиуса, другая - длинная лента с двумя полуоборотами (такую ленту называют афганской).

. При повороте на 360 градусов получим двустороннюю поверхность. Для закрашивания её непременно нужно перевернуть на другую сторону. При разрезании вдоль посередине получим два кольца, сцепленных между собой.

Интересны были и другие эксперименты с этим удивительным геометрическим явлением.

Приготовим лист Мёбиуса из достаточно широкой полоски и разрежем его так, чтобы линия разреза все время шла вдвое ближе к левому краю полоски, чем к правому (линия разреза обойдет лист Мёбиуса дважды).

Получаем два кольца: одно - лист Мёбиуса, другое - перекрученное на 360 градусов.

Вновь возьмём бумажную полоску; один ее конец перекрутим на полный оборот (на 360 градусов), приклеим к другому концу и разрежем получившуюся модель по средней линии. Получаем два одинаковых, сцепленных кольца, каждое из которых повёрнуто на 360 градусов.

Попробуем проделать в полоске щель и проденем сквозь неё один конец полоски. Склеим как на рисунке и разрежем.

Получили две отдельных ленты Мёбиуса.

А теперь попробуем склеить обычное кольцо и ленту Мёбиуса под прямым углом и разрежем по пунктирной линии.

Каков результат? Получилась квадратная рамка!

Можно говорить о следующих свойствах ленты Мёбиуса:

• Односторонность - топологическое свойство ленты Мёбиуса, характерное только для неё.

• Непрерывность - с топологической точки зрения круг неотличим от квадрата, потому что их легко преобразовать один в другой, не нарушая непрерывность. На листе Мёбиуса любая точка может быть соединена с другой точкой. Разрывов нет - непрерывность полная.

• Связность - чтобы разделить квадрат на две части, нам потребуется только один разрез. Но вот чтобы располовинить кольцо, потребуется уже два разреза. Что касается листа Мёбиуса, то количество связей меняется в зависимости от смены количества оборотов ленты: если один оборот - двусвязен и т.д.

• Ориентированность - свойство, отсутствующее у листа Мёбиуса. Так, если бы человек смог пропутешествовать по всем изгибам листа Мёбиуса, то когда он вернулся бы в исходную точку, он превратился бы в своё зеркальное отражение.

Таким образом, лента Мёбиуса - простейшая односторонняя поверхность с краем. Попасть из одной точки этой поверхности в любую другую можно, не пересекая края.

Ленту Мёбиуса иногда называют прародителем символа бесконечности ∞, так как находясь на поверхности ленты Мёбиуса, можно было бы идти по ней вечно. Правда, это не соответствует действительности, ведь символ ∞ использовался для обозначения бесконечности в течение двух столетий до открытия ленты Мёбиуса.

Другое похожее множество - вещественная проективная плоскость. Если проколоть отверстие в вещественной проективной плоскости, тогда то, что останется, будет листом Мёбиуса. С другой стороны, если приклеить диск к ленте Мёбиуса, совмещая их границы, то результатом будет проективная плоскость. Чтобы визуализировать это, полезно деформировать ленту Мёбиуса так, чтобы ее граница стала обычным кругом. Такую фигуру называют «пересечённая крышка». Пересечённая крышка может также означать ту же фигуру с приклеенным диском, то есть погружение проективной плоскости в трехмерное пространство R³.

4. Применение ленты Мёбиуса в геометрии

Полоска для создания ленты Мёбиуса должна быть узкой и длинной, с возможно большим отношением длины к ширине. Скажем, из квадратного листа ленты Мёбиуса не сделаешь.

Это верно, но с одной оговоркой, которую легко недооценить: ограничения на размер имеют значение лишь в том случае, когда бумагу запрещается «мять». Если же мять бумагу не запрещается, то ленту Мёбиуса можно склеить не только из квадрата, но из прямоугольника любых размеров - склеиваемые стороны могут быть во сколько угодно раз длиннее несклеиваемых. Сделать это можно так (рис. 1-3). Сложим прямоугольный лист в гармошку, перегнув его чётное число раз. Затем из этой гармошки, как из толстой бумажной полоски, склеим ленту Мёбиуса, вставляя соответствующие части гармошки друг в друга. На рисунке видно, что лист бумаги, из которого склеена лента Мёбиуса, оказался смятым.

Допустим, что бумажную полоску можно изгибать, но не мять. Примем ширину полоски за единицу. Ясно, что чем длиннее полоска, тем легче склеить из неё ленту Мёбиуса. Таким образом, существует такое число λ, что из полоски длины больше λ ленту Мёбиуса склеить можно, а из полоски длины меньше λ - нельзя, Что будет для полоски, длина которой в точности равна λ, нас не интересует. Очень хотелось бы найти это λ.

Развертывающаяся поверхность

Легко понять, что запрещение мять бумагу значительно ограничивает возможность манипулировать бумажным листом. Например, лист бумаги, не помяв, можно свернуть в трубку или сложить «без складки» пополам, но нельзя сложить вчетверо. Из листа бумаги, не смяв его, можно сделать конус («фунтик»), но нельзя сделать сферу или даже её кусочек: попробуйте прижать лист бумаги к глобусу, и обязательно появятся складки. Как видно, листу бумаги можно придать далеко не всякую форму. Поверхности, которые можно сделать из листа бумаги, изгибая, но не сминая его, математики называют развёртывающимися. Примеры развёртывающихся поверхностей показаны на рис. 4. Конечно, в математике развёртывающиеся поверхности определяются не так: в математическом языке отсутствуют слова «бумага», «сминать», «сделать».

топологический неориентируемый трехмерный мёбиус

Раз требование не мять бумагу так важно, посмотрим, каков его математический смысл.

Через каждую точку A развёртывающейся поверхности, не лежащую на её границе, проходит лежащий на поверхности отрезок, не кончающийся в A. Иначе говоря, в каждой точке к развёртывающейся поверхности (изогнутому, но не смятому листу бумаги) можно приложить спицу так, чтобы она прилегала к поверхности на некотором протяжении по обе стороны от взятой точки. Такой отрезок называется образующей поверхностью. Условимся, что это название относится только к отрезкам максимальной длины, целиком лежащим на поверхности, то есть, к отрезкам, не содержащимся в бóльших отрезках с этим свойством.

Если через точку А, не лежащую на границе поверхности, проходят две различные образующие, причём А не является концом ни одной из них, то достаточно маленький кусок поверхности, окружающий А, является плоским. В таком случае точку А мы будем называть плоской.

Если точка А, не лежащая на границе поверхности, является концом какой-нибудь образующей, скажем а, то окрестность точки А устроена так. Через точку А проходит единственная не кончающаяся в ней образующая, скажем, в (рис. 5). Эта образующая разделяет поверхность на две части. С той стороны от образующей в, с которой находится образующая а, к образующей в прилегает плоский кусок, с другой стороны от в, сколь угодно близко от точки А, имеются не плоские точки. Точку А в этой ситуации мы будем называть полуплоской.

Подчеркнём, что если точка поверхности не является ни граничной, ни плоской, то через неё проходит единственная не кончающаяся в ней образующая, причём концы этой образующей лежат на границе поверхности.

Примеры

Лист бумаги, свёрнутый в трубочку или в фунтик, плоских и полуплоских точек не имеет. У трубочки образующие составляют семейство параллельных отрезков, у фунтика - семейство отрезков, веером расходящихся из одной точки. Возможны более сложные расположения образующих. Например, образующие и плоские точки развертывающейся поверхности, изображённой на рисунке 6а, показаны на рисунке 6б (на нём поверхность развёрнута в плоский лист бумаги): тонкие синие линии - образующие, а закрашенные области состоят из плоских точек.

Точки, лежащие на границе области плоских точек, являются либо граничными для всей поверхности, либо полуплоскими. Если поверхность сделана из бумажного многоугольника (скажем, из прямоугольника), то плоские точки составляют один или несколько плоских многоугольников, причём у каждого из этих многоугольников вершины лежат на границе поверхности, а стороны либо лежат на границе, либо состоят из полуплоских точек (см. ещё раз рисунок 6б).

Но вернёмся к вычислению λ - нижней грани длин бумажных полосок ширины 1, из которых можно склеить несмятую ленту Мёбиуса.

Теорема 1: λ ≥ π/2

Доказательство. Пусть лента Мёбиуса сделана из бумажной полоски длины l. Намотаем на неё длинную бумажную ленту. Эта лента (толщиной бумаги пренебрегаем) будет составлена из прямоугольников одинаковой длины, каждый из которых принимает форму нашей ленты Мёбиуса. Отметим на длинной ленте прямолинейные образующие и плоские точки (как на рисунке 6б). Получится что-то вроде рисунка 7.