五個有趣的拓撲變換問題 [轉]


    如果你喜歡上次的空間想象能力挑戰,你一定會喜歡 V. V. Prasolov 的 Intuitive Topology 一書。書中的第一章有五個非常經典的“拓撲變換”類謎題,在此與大家分享。注意游戲規則:我們假設所有物體都是用橡膠做成的,可以隨意地拉伸、擠壓、彎曲,但不允許切斷、粘連等任何改變圖形本質結構的操作。

    1. 能否把左圖連續地變形為右圖?

     

    2. 能否把左圖連續地變形為右圖?

     

    3. 左圖所示的立體圖形表面畫有一個圓。能否通過連續變換,把這個圓變到右圖所示的位置?

     

    4. 在一個輪胎的表面上打一個洞。能否通過連續變換,把這個輪胎的內表面翻到外面來?

     

    5. 能否把左圖連續地變形為右圖?

     

    1. 能否把左圖連續地變為右圖?

     

    答案是可以的,如下圖所示:

     

    這意味着,假如人類的身體可以像橡膠人一樣任意變形,那么用兩手的拇指和食指做成兩個套着的圓環之后,我們可以不放開手指,把圓環給解開來。 Algorithmic and Computer Methods for Three-Manifolds 一書里畫了一張非常漂亮的示意圖:

     

    更加有趣的是,如果僅僅是手腕上多了一塊手表,上述方案就不能得逞了:

     

    2. 能否把左圖連續地變為右圖?

     

    答案是可以的,如下圖所示:

     

    3. 左圖所示的立體圖形表面畫有一個圓。能否通過連續變換,把這個圓變到右圖所示的位置?

     

    答案是可以的,如下圖所示:

     

    4. 在一個輪胎的表面上打一個洞。能否通過連續變換,把這個輪胎的內表面翻到外面來?

     

    答案是可以的。首先,作出如下圖所示的連續變換。可以看到,一個表面有洞的輪胎本質上等於兩個粘在一起的紙圈!不過,注意紙圈 1 和紙圈 2 的地位不太一樣:一個是白色的面(即最初輪胎的內表面)沖外,一個是陰影面(即最初輪胎的外表面)沖外。現在,把紙圈 2 當成原來的紙圈 1 ,把紙圈 1 當成原來的紙圈 2 ,倒着把它們變回輪胎形,輪胎的內外表面也就顛倒過來了。

     

    有趣的是,把輪胎的內表面翻出來之后,輪胎上的“經線”和“緯線”(姑且這么叫吧)也將會顛倒過來:

     

    Wikipedia 上有一個巨帥無比的動畫,直接展示出了把一個圓環面的內表面翻到外面來的過程。此動畫看着非常上癮,小心一看就是 10 分鍾!

     

    5. 能否把左圖連續地變為右圖?

     

    答案是可以的。首先,作出如下圖所示的連續變換,於是就變成了問題 1 中的圖 (a) 。再利用問題 1 的辦法,即可變出我們想要的形狀來。

     

 

From:http://www.matrix67.com/blog/archives/5140


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