Реферат: Лист Мёбиуса

Картина периодична: всё повторяется с периодом, равным 2. Можно сказать больше: при сдвиге влево или вправо на l картинка меняется, но строго определённым образом - она переворачивается (т.е. зеркально отражается в средней линии полоски). Области плоских точек представляют собой четырёхугольники (которые могут выродиться в треугольники), ограниченные двумя отрезками противоположных краёв ленты и двумя отрезками, проходящими по ленте. Части ленты, не попавшие в эти области, вымощены образующими, концы которых лежат на краях ленты. Всё это следует из свойств развёртывающихся поверхностей. Плоские участки также можно вымостить образующими, так что вся лента будет покрыта непрерывным семейством образующих (рис. 8). Образующие в одинаковых четырёхугольниках можно выбирать одинаковым образом, так что описанная выше периодичность сохранится.

Возьмём любую образующую из нашего семейства, скажем, [АВ]. Если симметрично отразить её в средней линии полоски и затем перенести в любую сторону (скажем, вправо) на l, то получится отрезок CD, который тоже является образующей из нашего семейства (рис. 9). Заметим (это важно), что |АС| + |BD| = 2 l. При наматывании нашей длинной ленты на ленту Мёбиуса образующие [АВ] и [CD] займут одинаковое положение. Причём точка А совместится с D, а точка В - с С; другими словами, отрезки АВ и CD составят в пространстве угол в 180°. Между [АВ] и [CD] располагается непрерывное семейство образующих. При движении от [АВ] к [CD] величина угла, который эти образующие составляют в пространстве с [АВ], непрерывно изменяется от 0° до 180°.

Возьмём любое n и найдём между [АВ] и [CD] такие образующие [А₁В₁],….,[А_n-1В_n-1], что величина угла между [АВ] и [A_kB_k] равна к^.180°/n. Точки А₁, …, А_n-1 в этом порядке лежат между А и С, а точки В₁, …, В_n-1 - между В и D (см. рис. 10). Длина каждой из образующих больше или равна 1, а величина угла между пространственными положениями двух соседних образующих не меньше 180°/n.

Покажем, что каждая из сумм [АА₁] + [ВВ₁], [А₁А₂] + [В₁В₂], [А_n-1С] + [B_n-lD] не меньше длины а2n стороны правильного 2n-угольника, вписанного в окружность радиуса 1. Это видно на рисунке 11. На этом рисунке отрезки А_кЕ и А_к+1В_к+1 равны по длине, параллельны и направлены в одну сторону, [A_kF] = [А_кН] = 1 и [FG] || [ЕВк] (рис. 11 сделан в предположении, что [А_к+1В_к+1] < [A_kB_k]; изменения, необходимые в случаях [А_к+1В_к+1] = [A_kB_k] и [А_к+1В_к+1] > [A_kB_k], очевидны). Мы видим, что [A_kA_k+l] + [B_kB_k+l] = [EB_k+l] + [B_kB_k+l] ≥ [EB_k] ≥ [FG] ≥ [FH] ≥ a2n (здесь |[A_kA_k+l], [B_kB_k+l], [EB_k+l] - длины изображённых на рисунке 11 криволинейных отрезков; эти длины совпадают с длинами отрезков [A_kA_k+l], [B_kB_k+l] рисунка 10. Предпоследнее неравенство следует из того, что DFHG > 90°, а последнее - из того, что DFA_kH ≥ 180°/n).

Итак, 21 = [АС] + [BD] = ([АА₁] + [ВВ₁]) + ([А₁А₂] + [В₁В₂]) + ... + ([А_n-1С] + [B_n-lD]) ≥ na2n, т.е. 2l при любом n не меньше половины периметра правильного 2n-угольника, вписанного в окружность радиуса 1. Значит,2l не меньше половины длины самой этой окружности, то есть π, и l ≥ π/2. Теорема доказана.

Теорема 2: λ ≤ √3

Для её доказательства достаточно объяснить, как склеить ленту Мёбиуса из полоски, длина которой больше √3. Предположим сначала, что её длина в точности равна √3. Тогда на этой полоске можно расположить два правильных треугольника (рис. 12). Перегнём полоску по боковым сторонам этих треугольников, чередуя направления сгиба (рис. 13). Края АВ и CD полоски совместятся, причём точка А совместится с точкой D, а точка В - с точкой С. Получится лента Мёбиуса.

При этом построении было нарушено главное правило - не мять бумагу. Но легко понять, что если длина полоски хоть немного больше √3, то излом по образующей можно заменить изгибанием, производимым на узком участке (рис. 14).

Короче говоря, излом вдоль прямолинейного отрезка нам не страшен: его можно заменить близким к нему изгибанием. Непоправимое сминание бумаги происходит, когда две линии перегиба пересекаются, т.е. когда лист складывается наподобие носового платка. Как выглядит получившаяся лента Мёбиуса, показано на рисунке 15.

Её устройство можно представить себе так: три одинаковых правильных треугольника ABC, А'В'С', А"В"С" лежат параллельно друг другу, соответствующие вершины над соответствующими вершинами; стороны АВ и А'В', В'С' и В"С", С"А" и СА соединены перемычками. Линия склейки проходит по медиане одного из треугольников.

Теорема 3. Ленту Мёбиуса с самопересечениями можно склеить из полоски любой длины, большей π/2.

Делается это так. Возьмём достаточно большое нечётное n и построим правильный n-угольник, вписанный в окружность диаметра 1.

Далее рассмотрим n содержащих центр окружности треугольников, каждый из которых ограничен стороной и двумя диагоналями n-угольника (рис. 16; здесь n=7). Эти треугольники покрывают наш n-угольник, некоторые его места - по нескольку раз. Приложим теперь эти n треугольников друг к другу так, как показано на рисунке 17. После этого отрежем по длинной медиане половину самого левого треугольника и приложим её к самому правому треугольнику. Получится прямоугольная полоска с отношением длины к ширине, большим π/2, и стремящимся к π/2 при n, стремящимся к ∞ (ширина полоски стремится к 1, а длина - к π/2).

Если последовательно перегнуть эту полоску по всем проведённым на ней линиям, чередуя направления сгиба (рис. 18), то треугольники расположатся как на рисунке 16. Отрезки АВ и CD при этом почти совместятся - между ними окажется только несколько слоев сложенной бумаги. При этом точка А совместится с D, а точка В - с С, так что если бы мы смогли «пропустить ленту сквозь себя» и склеить отрезки АВ с CD, то получилась бы лента Мёбиуса. Если ленту взять чуть более длинной, можно избежать складок, подобно тому как мы это сделали в доказательстве теоремы 2. Что получится, изображено на рисунке 19.

Заключение

В реферате была проделана работа по доказательству некоторых свойств ленты Мебиуса. Изучались свойства ленты на наглядных примерах. Также, в реферате доказаны некоторые теоремы. Они могут быть полезны для тех, кто начинает изучать топологию.

Лента Мёбиуса - первая односторонняя поверхность, которую открыл учёный. Чудесные свойства листа Мебиуса привели к новым открытиям и изобретениям (иногда очень полезным, а иногда и совершенно бесполезным). В реферате я попытался описать свойства этой поверхности, показать её значимость на практике, доказать, что лента Мёбиуса - топологическая фигура.

Лента Мебиуса вдохновила многих художников на создание известных скульптур, картин и графики. Мотив Ленты Мебиуса встречается в названиях художественных произведений, общественных заведений, логотипах. Многие физические явления используют для объяснения лист Мебиуса. Ученые генетики рассматривают код ДНК в качестве модели ленты Мебиуса. Лист Мебиуса применяется для усовершенствования технических приборов. Загадочная лента Мебиуса применяется для показа фокусов в цирке.

Если у ременной передачи ремень сделать в виде ленты Мёбиуса, то его поверхность будет изнашиваться в два раза медленнее, чем у обычного кольца. Почему? В работе ремня принимает участие вся поверхность, а не только внутренняя ее часть, как у обычной ременной передачи. Поэтому в виде ленты Мёбиуса хорошо делать конвейерные ленты.

В ХХ веке были созданы особые кассеты для магнитофона, которые дали возможность слушать магнитофонные кассеты «с двух сторон», не меняя их местами. Во многих матричных принтерах красящая лента также имеет вид листа Мёбиуса для увеличения её ресурса.

Лист Мёбиуса был эмблемой извеcтной серии научно-популярных книг «Библиотечка «Квант»». Он также постоянно встречается в научной фантастике. Кольцо Мёбиуса постоянно упоминается в произведениях уральского писателя Владислава Крапивина. В рассказе «Лист Мёбиуса» Дейча бостонское метро строит новую линию, маршрут которой становится настолько запутанным, что превращается в ленту Мёбиуса, после чего на этой линии начинают исчезать поезда. По мотивам рассказа был снят фантастический фильм «Мёбиус» режиссёра Густаво Москера. Также идея ленты Мёбиуса используется в рассказе Клифтона «На ленте Мёбиуса».

Использованная литература

1. М. Гарднер «Математические чудеса и тайны», «Наука» 1978 г., стр. 43-48.

2. Е.С. Смирнова «Курс наглядной геометрии» 6 класс, «Просвещение» 2002 г., стр. 63-67.

3. Современный словарь иностранных слов, «Русский язык» 1993 г., стр. 146, 468, 579, 612.

4. И.Ф. Шарыгин, Л.Н. Еранжиева «Наглядная геометрия» 5-6 класс, «Дрофа» 2000 г., стр. 69-72.

5. Энциклопедия для детей «Математика», «Аванта+» 2001 г., стр. 111-112.

6. Б.А. Кордемский «Топологические опыты своими руками», научно-популярный журнал «Квант» 1974 г., №3, стр. 73-75.