יריעה אוריינטבילית

Nuvola apps edu mathematics blue-p.svg

בערך זה
נעשה שימוש
בסימנים מוסכמים
מתחום המתמטיקה.
להבהרת הסימנים
ראו סימון מתמטי.

טורוס - יריעה אוריינטבילית. לטורוס שני צדדים - הפנימי (אינו נראה לצופה) והחיצוני (נראה לצופה).
טבעת מביוס - יריעה לא אוריינטבילית. לא ניתן לבחור צד של טבעת מביוס או במילים אחרות "יש לה צד אחד".

במתמטיקה ובפרט בטופולוגיה וגאומטריה, יריעה נקראת אוריינטבילית (Orientable) אם ניתן להגדיר עליה אוריינטציה. באופן מקומי כל יריעה איזומורפית ל ולכן ניתן לבחור עליה אוריינטציה. אולם מכיוון שבכל נקודה יש שתי אפשרויות לבחירה זו, לעיתים לא ניתן לבצע בחירה באופן גלובלי. זאת הסיבה שחלק מהיריעות אינן אוריינטביליות. הדוגמה הסטנדרטית ליריעה לא אוריינטבילית היא טבעת מביוס.

משטחים אוריינטבילים (במרחב)עריכה

 
בחירת שדה נורמלי[1] למשטח או במילים אחרות "בחירת צד", מגדירה אוריינטציה על המשטח

משטח במרחב נקרא אוראנטבילי אם ניתן לבחור לו צד. בחירת צד של המשטח שקולה לבחירת שדה וקטורי נורמלי[1] למשטח המכוון לעבר הצד הנבחר. הגדרה זו של אוריינטציה ניתנת להכללה לממדים גבוהים יותר, אולם היא תקפה רק להיפר-משטחים (Hypersurface), זאת אומרת ליריעות   ממדיות ב .

המקרה הרב ממדיעריכה

  ערך מורחב – אוריינטציה

המקרה החלקעריכה

יריעה חלקה   מממד   היא אוריינטבילית אם קיימת עליה תבנית הפיכה[2].

המקרה הכלליעריכה

יריעה טופולוגית סגורה וקשירה   מממד   היא אוריינטבילית אם   (או, באופן שקול,  ). לקריטריון זה יש גרסה גם עבור יריעות כלליות, לרבות יריעות עם שפה.

דוגמאותעריכה

עקומיםעריכה

כל עקום (יריעה חד ממדית) הוא איחוד זר (Disjoint union) של קטעים ומעגלים. לכן כל עקום הוא יריעה אוירנטבילית.

טבעת מביוס וטבעת רגילהעריכה

טבעת רגילה, יריעה אוריינטבילית
טבעת מביוס, יריעה לא אוריינטבילית
  ערך מורחב – טבעת מביוס

הדוגמה הבסיסית ביותר ליריעה לא אוריינטבילית היא טבעת מביוס.

ניתן לבנות טבעת מביוס באופן הבא: לוקחים סרט ארוך, מסובבים את אחד הקצוות מחצית הסיבוב, ואז מדביקים אותו לקצה השני. בניגוד לטבעת רגילה, שהשפה שלה כוללת שני מעגלים נפרדים, השפה של טבעת מביוס כוללת רק מעגל אחד: אם מעבירים אצבע לאורך השפה, משלימים את התנועה לאחר ביקור בכל נקודות השפה.

מכיוון שטבעת מביוס היא משטח במרחב, העובדה שהיא לא אוריינטבילית שקולה לכך שאין עליה שדה נורמלי באורך יחידה. או במילים אחרות, לא ניתן לבחור לה צד.

כיסוי האוריינטציות של טבעת מביוס הוא טבעת רגילה, במילים אחרות גליל. גליל הוא יריעה אוריינטבילית, ולכן טבעת מביוס לא יכלה להיות הומיאומורפית לגליל.

בקבוק קליין וטורוסעריכה

טורוס, יריעה אוריינטבילית
בקבוק קליין, מוטבע במרחב התלת-ממדי, יריעה לא אוריינטבילית

הדבקה של בקבוק קליין וטורוס
טורוס
בקבוק קליין
על מנת לקבל את היריעות (בקבוק קליין וטורוס), יש להדביק כל צלע לצלע הנגדית (זאת שצבועה באותו צבע), לפי כיוון החץ.
  ערך מורחב – בקבוק קליין

בקבוק קליין הוא משטח סגור (Closed manifold) לא אוריינטבילי. כפי שנראה בהמשך, עובדה זו מוכיחה שאי-אפשר לשכנו במרחב התלת ממדי. אולם ניתן להטביעו במרחב כזה (ראה איור), זאת אומרת קיימת אימרסיה (immersion) מבקבוק קליין למרחב תלת ממדי.

ניתן לתאר את בקבוק קלין בתור מרובע שהדביקו את זוג צלעותיו המנוגדות אחת לשנייה, ואת זוג צלעותיו האחר הדביקו אחת לשנייה אחרי חצי סיבוב של אחת מהן (זאת אומרת, הדביקו כך שנקודות קרובות לפינה התחתונה הימנית למשל יודבקו לנקודות קרובות לפינה העליונה השמאלית, ונקודות קרובות לפינה התחתונה השמאלית יודבקו לנקודות קרובות לפינה העליונה הימנית, ראה איור).

בעזרת תיאור זה ניתן להראות שכיסוי האוריינטציות של בקבוק קליין הוא הטורוס. הטורוס הוא יריעה אוריינטבילית.

מישור פרויקטיבי, ספירה ומישורעריכה

ספירה, יריעה אוריינטבילית
משטח שטיינר (Roman surface) – הטבעה של המישור פרויקטיבי במרחב, יריעה לא אוריינטבילית
  ערך מורחב – מישור פרויקטיבי

המישור הוא יריעה אוריינטבילית, המישור הפרויקטיבי הוא קומפקטיפיקציה לא אוריינטבילית של המישור. ניתן לתאר את המישור הפרויקטיבי בתור אוסף הישרים העוברים דרך הראשית במרחב. דרך נוספת לתארו היא להדביק טבעת מביוס ועיגול לאורך השפה שלהם (הן השפה של טבעת מביוס והן השפה של עיגול היא מעגל). הדרך השנייה מוכיחה כי המישור הפרויקטיבי אינו אוריינטבילי, מכיוון שטבעת מביוס ללא השפה היא יריעה לא אוריינטבילית, וכפי שנראה בהמשך תת-קבוצה פתוחה של יריעה אוריינטבילית היא אוריינטבילית. מהתאור הראשון של המישור הפרויקטיבי ניתן להסיק כי כיסוי האוריינטציות שלו הוא הספירה. הספירה היא יריעה אוריינטבילית. בדומה לבקבוק קליין לא ניתן לשכן את המישור הפרויקטיבי במרחב, אולם ניתן להטביע אתו שם.

משטחיםעריכה

 
משטח אוריינטבילי מגנוס 3
  ערכים מורחבים – משטח, גנוס

ניתן למיין את כל המשטחים (הקשירים) הסגורים (Closed manifold) על ידי האוריינטביליות והגנוס שלהם. משטח (קשיר) אוריינטבילי   מגנוס   נראה כספירה שחיברו אליה   ידיות. לחלופין ניתן לתאר אותו בתור הסכום הקשיר (Connected sum)

 

כאשר   היא הסיפרה ו  הוא הטורוס. משטח (קשיר) לא אוריינטבילי   מגנוס   הוא

 

כאשר   הוא המישור הפרויקטיבי.

ניתן להראות ש:

  • בקבוק קליין הוא המשטח  
  •  
  • כיסוי האוריינטציות של   הוא  .

מרחב פרויקטיבי, ספירה רב ממדית ומרחב ליניאריעריכה

  ערך מורחב – מרחב פרויקטיבי

מרחב ליניארי (ממשי או מרוכב) תמיד אוריינטבילי, מרחב פרויקטיבי הוא קומפקטיפיקציה של מרחב ליניארי (מאותו ממד). ניתן לתאר מרחב פרויקטיבי   ממדי בתור אוסף הישרים העוברים דרך הראשית במרחב   ממדי.

מרחב פרויקטיבי ממשי מממד זוגי אינו אוריינטבילי. בשאר המקרים, מרחבים פרויקטיביים הם יריעות אוריינטביליות. הכיסוי האוניברסלי של מרחב פרויקטיבי ממשי (מממד גדול מ 1) הוא ספירה (מאותו ממד). זהו כיסוי (קשיר) דו-יריעתי. הספירה תמיד אוריינטבילית. לפי אפיון כיסוי האוריינטציות, זה מוכיח שבמקרה שהמרחב הפרויקטיבי לא אוריינטבילי, הספירה היא כיסוי האוריינטציות שלו.

קריטריוניםעריכה

פעולות עם יריעות אוריינטביליותעריכה

  • יריעה לא קשירה היא אוריינטבילית אם ורק אם כל רכיבי הקשירות שלה אוריינטבילים.
  • יהי   הומאומורפיזם מקומי (Local property) של יריעות טופולוגיות. ניתן למשוך לאחור אוריינטציה על   על ידי   לכן אם   אוריינטבילית אז כך גם   בפרט תת-קבוצה פתוחה של יריעה אוריינטבילית היא אוריינטבילית.
  • מצד שני, אם   הוא כיסוי פתוח של יריעה וניתן לבחור אוריינטציות   על   כך שהצמצומים (Restriction)   ו   שווים לכל   אז   אוריינטבילית. מכאן ניתן להסיק שאם   הוא כיסוי על ידי קבוצות פתוחות אוריינטביליות והחיתוך   קשיר, אז   אוריינטבילית. מזה נובע שסכום קשיר (Connected sum) של יריעות אוריינטביליות, אוריינטבילי.
  • בנוסף ניתן להסיק מהתכנות של אוריינטציה יחסית שמכפלה של יריעות אוריינטביליות גם היא אוריינטבילית ומכפלה של יריעה לא אוריינטביליות עם מרחב ליניארי היא יריעה לא אוריינטבילית. מזה נובע שמכפלה של יריעה לא אוריינטבילית עם יריעה כלשהי היא יריעה לא אוריינטביליות.

היפר משטחיםעריכה

 
את בקבוק קליין לא ניתן לשכן במרחב מכיוון שהוא משטח סגור (Closed manifold) לא אוריינטבילי. אילו ניתן היה, אז בקבוק קליין חייב היה להיות אוריינטבילי.

ממשפט ז'ורדן (Jordan curve theorem) ותהליך השראת האוריינטציה על שפה של יריעה ניתן להסיק את הטענה הבאה:

טענה: היפר-משטח סגור (Closed Hypersurface) (במרחב ליניארי) תמיד אוריינטבילי.

החבורה היסודיתעריכה

  ערך מורחב – החבורה היסודית

מהגדרת קרקטר האוריינטציות ניתן להסיק את הטענה הבאה:

טענה: תהי   יריעה טופולוגית. נניח שלחבורה היסודית שלה אין תת-חבורות מאינדקס 2. אז   אוריינטבילית.

מסקנה: יריעה פשוטת קשר תמיד אוריינטבילית.

יריעות מרוכבותעריכה

  ערכים מורחבים – יריעה אנליטית מרוכבת, יריעה אלגברית, יריעה כמעט מרוכבת

יריעה כמעט מרוכבת (Almost complex manifold) היא יריעה חלקה   מממד זוגי, שעל המרחב המשיק   בכל נקודה   נתון מבנה של מרחב ליניארי מעל   (התלוי באפן חלק בנקודה  ).

מהעובדה שכל אוטומורפיזם ליניארי מרוכב שומר האוריינטציה[3] ניתן להסיק את הטענה הבא:

טענה: יריעה כמעט מרוכבת תמיד אוריינטבילית.

מסקנה: יריעה אנליטית מרוכבת, ובפרט יריעת הנקודות של יריעה אלגברית חלקה (Algebraic manifold) מרוכבת, תמיד אוריינטבילית.

יריעות סימפלקטיותעריכה

  ערך מורחב – יריעה סימפלקטית

מהגדרת מושג האוריינטציה על יריעה חלקה ניתן להסיק את הטענה הבאה:

טענה: יריעה סימפלקטית תמיד אוריינטבילית.

סיכוםעריכה

יריעות אוריינטביליות יריעות לא אוריינטביליות
  • יריעה אליה מועתקת יריעה לא אוריינטבילית על ידי הומאומורפיזם מקומי
    • יריעה בעלת תת-קבוצה פתוחה לא אוריינטבילית
      • סכום קשיר של יריעה לא אוריינטבילית עם יריעה כלשהי
        • משטחים לא אוריינטבילים – סכום קשיר של מישורים פרויקטיבים
  • מכפלה של יריעות אוריינטביליות
  • מכפלה של יריעה לא אוריינטבילית עם יריעה כלשהי

קישורים חיצונייםעריכה

הערות שולייםעריכה

  1. ^ 1.0 1.1 שדה וקטורי נורמלי למשטח הוא התאמה של וקטור באורך יחידה לכל נקודה במשטח המאונך למשטח בנקודה זאת.
  2. ^ לעיתים מכנים תבנית דיפרנציאליות הפיכות "תבנית נפח". כינוי זה עלול לבלבל כי לעיתים הוא מתייחס לאגד הצפיפויות
  3. ^ עובדה זאת נובעת מכך שעבור אוטומורפיזם   כזה מיתקיים