1.禪師和青年之間的對話
2.制作一個莫比烏斯帶
3.神奇的莫比烏斯帶
4.對莫比烏斯帶進行簡單的數學建模
1.禪師和青年之間的對話
青年問禪師:“大師,我很愛我的女朋友,她也有很多優點,但是總有幾個缺點讓我非常討厭,有什么什么方法能讓她改變?” 禪師淺笑,答:“方法很簡單,不過若想我教你,你需先下山為我找一張只有正面沒有背面的紙回來。” 青年略一沉吟,掏出一個麥比烏斯環。
大師說,“剛才說的不算,你要找到一個沒有里外的瓶子才行”。年輕人又默默的從懷里掏出了一個克萊因瓶。
2.制作一個莫比烏斯帶
其實,可以自己做一個莫比烏斯帶,只需要那一個紙條,然后旋轉180度,最后"粘合"兩個兩端,就成了一個莫比烏斯帶。如下:
旋轉180度后,粘合紙片的兩端,形成一個莫比烏斯帶,如下:
3.神奇的莫比烏斯帶
莫比烏斯帶,有許多神奇的特性,比如用一個剪子從紙片的二分之一處一直剪到尾部,最終是會形成兩個分離的莫比烏斯帶還是?老實說,我第一次是一位會分離成兩個獨立的莫比烏斯環。
結果是,剪開會最終還是一個完整的環,並且這個新的環不是莫比烏斯帶,而是一個旋轉了360度的環。其實可以親手做一下,只是由於手上沒有剪刀不容易演示這個。
如果此時在沿着這個新的環中間剪開,會發現,竟然形成了兩個環,並且其中的一個套着另一個,太不可思議了....
更神奇的是,對於一個莫比烏斯環,如果不從中間剪開,而是從三分之一處剪開,結果竟然是......可以親自試一下。
4.對莫比烏斯帶的簡單建模
一個紙片,經過某種變形之后,形成了一個新的圖形,莫比烏斯帶。
對莫比烏斯帶進行完整的建模需要用到許多拓撲學里面的概念,譬如等價關系,等價類,商集,拓撲空間,拓撲變換,商空間等等,因此下面只是一個簡單的建模,有助於形象化理解。OK, 開始抽象吧。
1)對紙片抽象
由於紙片是一個物理實體,不方便對他進行數學描述。因此,可以考慮將紙片放到一個二維笛卡爾坐標系里面進行研究,這樣,一個紙片實際上就是笛卡爾坐標系里面的一些點的集合,此時,我們就可以用諸如(x,y)這樣的數學符號來描述了。同時,為了研究的方便,先從最簡單的情況入手,使用一個變成為1的正方形來代替紙片,如下:
現在考慮怎么將這個正方形變換成一個莫比烏斯帶(嚴格的說並不正確,因為莫比烏斯帶只能在三維空間里面觀看。這里是從拓撲學的角度來看的,既將正方形變換成了一個新的拓撲空間(商空間),這個新的拓撲空間具有和莫比烏斯帶一樣的性質,既這個新的拓撲空間和莫比烏斯帶同胚,同時,由於這是一個拓撲空間,所以我們不關於這個拓撲空間的大小,形狀等因素,這就是拓撲學的好處,對問題進行了高度的抽象,從而使你只關心問題本身,而不忽略掉其他次要的外界因素)
2.對變換進行抽象
注意:這里的變換就是拓撲學里面的一個等價關系
要將上述圖形變換成一個莫比烏斯帶,只需將(0,1)和(1,0)兩點看成一個點,將(0,0.9)和(0.9,0)看成一個點... ... 將(0,0)和(1,1)看成一個點。發現了這個規律之后,我們將這個規律一般化,就是將(0,y)和(1,1-y)看成粘合成一個點。
3.結果
變換后的結果就是一個莫比烏斯帶(和莫比烏斯帶同胚的一個拓撲空間)