Загадочная лента Мёбиуса. Что такое Лента Мебиуса? Земля в форме лента мебиуса

Волшебная, нереальная - это все эпитеты, которыми можно наградить ленту Мебиуса. Одну из самых больших загадок современности. Возможно, именно лента Мебиуса скрывает в себе загадки взаимодействия всего существующего в нашей Вселенной. У этой фигуры есть загадочные свойства и вполне реальные области применения.

Лента Мебиуса является одной из самых необыкновенных геометрических фигур. Несмотря на ее необычность, ее легко сделать в домашних условиях.

Лента Мебиуса – это трехмерная неориентируемая фигура с одной границей и стороной. Этим она уникальна и отлична от всех других предметов, которые могут встретиться в повседневной жизни. Ленту Мебиуса также называют листом Мебиуса и поверхностью Мебиуса. Она относится к топологическим объектам, то есть объектам непрерывным. Такие объекты изучает топология - наука, исследующая непрерывность среды и пространства.

Интерес вызывает уже само открытие ленты. Два математика, несвязанных между собой, открыли ее в одном и том же 1858 году. Этими открывателями были Август Фердинанд Мебиус и Иоганн Бенедикт Листинг.

Условно различают ленты по способу сворачивания: по часовой стрелке и против часовой стрелки. Их еще называют правая и левая. Но различить «на глаз» вид ленты невозможно.

Сделать такую фигуру чрезвычайно просто: нужно взять ленту ABCD. Свернуть ее так, чтобы соединить точки A и D, В и С, склеить соединенные концы.

Некоторые считают, что эта загадочная геометрическая фигура - прообраз перевернутой восьмерки-бесконечности, на самом деле это неверно. Этот символ был введен для использования намного раньше, чем была открыта лента Мебиуса. Но сходность смысла этих фигур определенно есть. Мистики называют ленту Мебиуса символом двойственного восприятия единого. Лента Мебиуса словно говорит о взаимопроникновении, взаимосвязанности и бесконечности всего в нашем мире. Недаром, ее часто используют в качестве эмблем и товарных знаков. Например, международный символ переработки выглядит как лента Мебиуса. Лента Мебиуса может быть также своеобразной иллюстрацией некоторых явлений в природе, например, круговорота воды.

Лента Мебиуса имеет характерные свойства, они не меняются, если ленту сжимать, комкать или резать вдоль.

К этим свойствам относятся:

Односторонность. Если взять ленту Мебиуса и начать закрашивать в любом ее месте и направлении, то постепенно вся фигура будет закрашена целиком, при этом фигуру не нужно будет переворачивать.
Непрерывность. Каждую точку этой фигуры можно соединить с другой ее точкой, при этом ни разу не выходя за края ленты.
Двусвязность (или двумерность). Лента остается цельной, если резать ее вдоль. Из нее не получатся в этом случае две разные фигуры.
Отсутствие ориентированности. Если представить, что человек мог бы идти по этой фигуре, то при возвращении в точку начала путешествия, он бы превращался в свое отражение. Путешествие по листу бесконечности могло бы продолжаться вечно.

Если взять ножницы и немножко поколдовать над этой загадочной поверхностью, то получится создать дополнительные необычные фигуры. Если резать ее вдоль, по линии, удаленной от краев на равное расстояние, то получится закрученная «Афганская лента». Если полученную ленту разделить вдоль, посередине, то образуются две ленты, взаимопроникающие друг в друга. Если положить друг на друга несколько полосок и соединить в ленту Мебиуса, то если такую фигуру развернуть, снова получится «Афганская лента».

Если разрезать ленту Мебиуса с тремя или большим количествам полуоборотов, то получатся кольца, называющиеся парадромными.

Если склеить вместе две ленты Мебиуса вдоль границ, то выйдет другая удивительная фигура – бутылка Кляйна, но ее нельзя сделать в обычном трехмерном пространстве.

Если сгладить некоторые грани листа Мебиуса, то выйдет невозможный треугольник Пенроуза. Это плоский треугольник-иллюзия, когда смотришь на него, он кажется объемным.

Лист Мебиуса – неиссякаемый источник для творчества писателей, художников и скульпторов. Его упоминание часто встречается в фантастической и мистической литературе. На его свойствах основывались художественные вымыслы о возникновении Вселенной, устроенности загробной жизни, передвижении во времени и пространстве. Лист Мебиуса упоминали в своих произведениях Артур Кларк, Владислав Крапивин, Хулио Кортасар, Харуки Мураками и многие другие.

Известным художником Эшером был создан ряд литографий с использованием ленты. На наиболее известной его работе муравьи ползут по листу Мебиуса.

Свойства ленты Мебиуса позволят показать интересные фокусы. Рассмотрим один из самых известных. Подвешиваются две ленты Мебиуса из калийной селитры, маг касается зажженной сигаретой до средней линии каждой из них. Разгоревшееся пламя удлинит первую ленту, а вторую превратит в две, связанные друг с другом. В форме ленты Мебиуса сделан популярный аттракцион «Американские горки». Часто используют эту геометрическую фигуру ювелиры при создании дизайна драгоценностей.

Ленту Мебиуса широко применяют в науке и промышленности. Она является источником для множества научных исследований и гипотез. Существует, например, теория, что ДНК – это часть листа Мебиуса. Исследователи в области генетики уже научились разрезать одноцепочную ДНК так, чтобы получить из нее ленту Мебиуса. Физики говорят о том, что оптические законы базируются на свойствах листа Мебиуса. Например, отражение в зеркале – это своего рода передвижение во времени по аналогичной траектории. Есть научная гипотеза о том, что Вселенная – это гигантская лента Мебиуса.

В начале 20 века Никола Тесла изобрел резистор Мебиуса, который противостоит потоку электроэнергии, не вызывая при этом электромагнитных помех. Он состоит из двух проводящих поверхностей, которые скручены на 180 ° и образуют ленту Мебиуса.

Полоса ленточного конвейера (транспортирующей машины непрерывного действия) сделана в форме ленты Мебиуса. Такая поверхность позволяет увеличить срок использования ленты, так как ее изнашивание будет происходить равномерно. Используют форму ленты Мебиуса и при записи на непрерывную пленку.

Лист Мебиуса применялся в матричных принтерах для продления срока годности красящей ленты.

На основе ленты Мебиуса создано абразивное кольцо в механизмах для заточки, работает автоматическая передача.

В настоящее время многие изобретатели пользуются свойствами данной ленты для проведения экспериментов и создания новых устройств.

Лента Мебиуса продолжает вызывать стойкий интерес, не только у математиков и изобретателей, но и у обычных людей. Она вдохновляет деятелей искусства на создание загадочных произведений и фантастических теорий. Эксперименты с этой интересной фигурой – увлекательное занятие, как для взрослого, так и для ребенка. Ее свойства нашли свое применение в науке, технике и в быту. Лента Мебиуса - это занимательная математическая загадка, скрывающая в себе смысл идеалистического понимания устройства Вселенной, ее воздействие на нашу жизнь можно изучать бесконечно.

Лента Мебиуса (Möbius strip) - трехмерная поверхность, имеющая только одну сторону и одну границу, обладающая математическим свойством неориентируемости. Она была открыта независимо одновременно двумя математиками из Германии Августом Фердинандом Мёбиусом (August Ferdinand Möbius) и Иоганном Бенедиктом Листингом (Johann Benedict Listing) в 1858 году.

Модель ленты Мебиуса может быть легко создана из полоски бумаги, повернув один из концов полоски вполоборота и соединив его с другим концом в замкнутую фигуру. Если начать рисовать карандашом линию на поверхности ленты, то линия уйдет вглубь фигуры и пройдет под начальной точкой линии, как уйдя на "другую сторону" ленты. Если продолжать линию, то она вернется в начальную точку. При этом длина нарисованной линии будет вдвое больше длины полоски бумаги. Этот пример показывает, что у ленты Мебиуса лишь одна сторона и одна граница.

В Евклидовом пространстве, фактически, существует два типа ленты Мебиуса, развернутой вполоборота: одна - развернутая по часовой стрелке, другая - против часовой стрелки.

Геометрия и математика

Лента Мебиуса может быть представленная параметрической системой уравнений:

где и . Этими уравнениями описывается лента Мебиуса шириной 1, лежащая в плоскости x -y; внутренний радиус окружности которой равен 1, центр внутренней окружности находится в начале координат (0,0,0). Параметр u движется вдоль ленты, а параметр v - от одной границы к другой.

Иным способом ленту можно представить выражением в полярных координатах:

Топологически, лента Мебиуса может быть определена как квадрат x , верх которого соединен с низом в соотношении (x ,0) ~ (1-x ,1) for 0 ≤ x ≤ 1, как показано на рисунке справа.

Близкие объекты

Тесно связанным с лентой Мебиуса является загадочный объект - бутылка Кляйна . Бутылка Кляйна может быть создана склеиванием двух лент Мебиуса друг с другом вдоль их границ. Эта операция не может быть произведена в трехмерном пространстве без создания пересечений внутри фигуры.

Одна из базовых невозможных фигур невозможный треугольник может быть представлен как лента Мебиуса, если сгладить некоторое его грани. При этом получится лента Мебиуса, описывающая три витка.

Искусство

Логотип The Power Architecture

Также лента Мебиуса часто используется в изображениях различных логотипах и торговых марках. Самых яркий пример - международный символ повторного использования.

Приложение. Картины с лентами Мебиуса

Картина ниже Пола Билацика (Paul Bielaczyc) называется Как говорит автор, эта картина - объединение различных аспектов его жизни. Кельтские узлы окружают его в его работе, картины М.К. Эшера всегда служат источником вдохновения, а лента Мебиуса имеет отношение к предмету, изучаемому художником.

Практически все знают, как выглядит символ бесконечности, напоминающий перевернутую восьмерку. Этот знак называют еще «лемниската», что с древнегреческого означает лента. Представьте себе, что символ бесконечности очень похож на реально существующую математическую фигуру. Знакомьтесь, Лента Мебиуса!

Что такое Лента Мебиуса?

Лента Мебиуса (или ее еще называют петля Мебиуса, лист Мебиуса и даже кольцо Мебиуса) - одна из наиболее известных в математике поверхностей. Петля Мебиуса - это петля с одной поверхностью и одним краем.

Чтобы понять, о чем идет речь, и как такое может быть, возьмите лист бумаги , вырежьте полоску прямоугольной формы и в момент соединения ее концов перекрутите на 180 градусов один из них, после чего соедините. Разобраться в том, как сделать ленту Мебиуса поможет картинка ниже.

Что же такого примечательного в ленте Мебиуса?

Лента Мебиуса - пример неориентируемой односторонней поверхности с одним краем в обычном трёхмерном Евклидовом пространстве. Большинство предметов являются ориентируемыми, имеющими две стороны, например, лист бумаги.

Как тогда лента Мёбиуса может быть неориентируемой, односторонней поверхностью - скажете вы, ведь бумага, из которой она сделана имеет две стороны. А вы попробуйте взять маркер и заполнить цветом одну из сторон ленты, в конечном итоге вы упретесь в начальную позицию, причем вся лента окажется целиком закрашенной, что подтверждает наличие у нее всего одной стороны.

Чтобы поверить в то, что у петли Мебиуса всего один край - проведите пальцем по одному из граней ленты не прерываясь, и Вы точно так же, как и в случае с раскрашиванием, упретесь в точку, с которой начали движение. Удивительно, не правда ли?

Изучением ленты Мёбиуса и множества других интересных объектов занимается - топология , раздел математики, который исследует неизменные свойства объекта при его непрерывной деформации - растяжении, сжатии, изгибе, без нарушения целостности.

Открытие Августа Мебиуса

«Отцом» открывателем этой необычной ленты признан немецкий математик Август Фердинанд Мебиус , ученик Гаусса, написавший не одну работу по геометрии, но прославившийся преимущественно открытием односторонней поверхности в 1858 году.

Удивительным является тот факт, что ленту с одной поверхностью в тот же самый 1858 год открыл другой ученик Гаусса - талантливый математик Иоганн Листинг , придумавший термин «топология» и написавший серию основополагающих трудов по этому разделу математики. Однако свое название необычная лента все же получила по фамилии Мебиуса.

Есть расхожее мнение, что прообразом модели «бесконечной петли» стала неверно сшитая лента служанкой профессора Августа Мебиуса.

На самом деле , лента была открыта давным-давно еще в древнем мире. Одним из подтверждений служит находящаяся во Франции, в музее города Арль древнеримская мозаика с такой же перекрученной лентой. На ней нарисован Орфей, очаровывающий зверей звуками арфы. На фоне неоднократно изображен орнамент с перекрученной лентой.

«Магия» ленты Мебиуса

Несмотря на кажущееся наличие у листа Мебиуса двух сторон, на самом деле сторона всего одна, и раскрасить в два цвета ленту не получится.
Если ручкой или карандашом начертить по всей длине петли линию, не отрывая руку от листа, то грифель в конечном итоге остановится в точке, с которой Вы начали чертить линию;
Примечательные опыты получаются при разрезании ленты, способные удивить, как взрослого, так и ребенка в особенности.

Для начала склеим ленту Мебиуса, как было рассказано ранее. Затем разрежем ее вдоль по всей длине ровно посередине, как показано ниже:

Вас порядком удивит результат, ведь вопреки ожиданиям в руках останется не два отрезка ленты, и даже не два отдельных круга, но другая, еще более длинная лента. Это уже будет не лента Мебиуса, перекрученная на 180 градусов, а лента с поворотом на 360 градусов.

Теперь проведем другой эксперимент - сделаем еще одну петлю Мебиуса, после чего отмерим 1/3 ширины ленты и отрежем по этой линии. Результат поразит вас еще больше - в руках останутся две отдельные ленты разных размеров, соединенные вместе, как в цепочке: одна маленькая лента, и более длинная вторая.

У меньшей ленты Мёбиуса будет 1/3 от изначальной ширины ленты, длина L и поворот на 180 градусов. У второй более длинной ленты будет также ширина 1/3 от начальной, но длина 2L, а поворот на 360 градусов.

Можно и дальше продолжать эксперимент, разрезая получившиеся ленты на еще более узкие, результат увидите сами.

Зачем нужна петля Мебиуса? Применение

Лента Мебиуса - вовсе не абстрактная фигура, нужная лишь для целей математики, она нашла применение и в реальной повседневной жизни. По принципу этой ленты функционирует в аэропорту лента, передвигающая чемоданы из багажного отделения. Такая конструкция позволяет ей служит дольше в связи с равномерным изнашиванием. Открытие Августа Мебиуса повсеместно исполбьзуется в станкостроении. Конструкцию используют для большего времени записи на пленку, а также в принтерах, использующих ленту при распечатке.

Благодаря своей наглядности, петля Мебиуса дает возможность делать современным ученым все новые и новые открытия. С момента обнаружения удивительных свойств петли по всему миру прокатилась волна новых запатентованных изобретений. Например, значительное улучшение свойств магнитных сердечников, изготовленных из ферро-магнитной ленты, намотанных по способу Мебиуса.

Н. Тесла получил патент на многофазную систему переменного тока, использовав намотку катушек генератора по типу петли Мебиуса.

Американский ученый Ричард Дэвис сконструировал нереактивный резистор Мебиуса - способный гасить реактивное (емкостное и индуктивное) сопротивление, не вызывая элекстромагнитных помех.

Лента Мебиуса - широкое поле для Вдохновения

Сложно оценить важность значения открытия петли Мебиуса, которое вдохновило не только большое множество ученых, но и писателей, художников.

Самой известной работой, посвященной ленте Мебиуса считается картина Moebius Strip II, Red Ants или Красные Муравьи голландского художника-графика Маурица Эшера. На картине представлены муравьи, карабкающиеся по петле Мебиуса с обеих сторон, на самом деле сторона всего одна. Муравьи ползут по бесконечной петле друг за другом по одной и той же поверхности.

Художник черпал свои идеи из статей и трудов по математике, он был глубоко увлечен геометрией. В связи с чем на его литографиях и гравюрах часто присутствуют различные геометрические формы, фракталы, потрясающие оптические иллюзии.

До сих пор интерес к петле Мебиуса находится на очень высоком уровне, даже спортсмены ввели одноименную фигуру высшего лыжного пилотажа.

По произведению «Лента Мёбиуса» писателя фантаста Армина Дейча снят не один фильм. В форме петли Мебиуса создается огромное множество украшений, обуви, скульптур и многих других предметов и форм.

Лист Мебиуса наложил отпечаток на производство, дизайн, искусство, науку, литературу, архитектуру.

Умы многих людей волновала схожесть формы молекулы ДНК и петли Мебиуса. Существовала гипотеза, которую выдвинул советский цитолог Навашин, что форма кольцевой хромосомы по строению аналогична ленте Мебиуса. На эту мысль ученого натолкнул тот факт, что кольцевая хро-мосома, размножаясь, превращается в более длинное кольцо, чем в самом начале, или в два небольших кольца, но как в цепи продетых одно в другое, что очень напоминает выше описанные опыты с листом Мебиуса.

В 2015 году группа ученых из Европы и США смогла закрутить свет в кольцо Мёбиуса . В научном опыте ученые использовали оптические линзы, и структурированный свет - сфокусированный лазерный луч с преопределенными интенсивностью и поляризацией в каждой точке своего движения. В итоге были получены световые ленты Мебиуса.

Есть еще одна более масштабная теория. Вселенная - это огромная петля Мебиуса . Такой идеи придерживался Эйнштейн. Он предположил, что Вселенная замкнута, и космический корабль, стартовавший из определенной ее точки и летящий все время прямо, возвратится в ту же самую точку в пространстве и времени, с которой и началось его движение.

Пока это всего лишь гипотезы, у которых есть как сторонники, так и противники. Кто знает, к какому открытию подведет ученых, казалось бы, такой простой объект, как Лента Мебиуса.

Секция: математика

Название работы:

Исследовательская работа

«Лист Мёбиуса»

Выполнила работу

ученица 2 В класса

МБОУ «СОШ №26»

Ширяева Елена

Лист Мёбиуса – один из объектов топологии, которая является самым «молодым» разделом современной геометрии. Чтобы получить некоторое представление о топологии я рассмотрела несколько топологических опытов с поверхностями, полученными из бумажной полоски.

Цель: исследование листа Мёбиуса.

В работе рассматривается история возникновения понятия листа Мёбиуса (лента Мёбиуса), примеры топологических объектов, некоторые их свойства, применение листа Мёбиуса в жизни, проведение эксперимента с лентой Мёбиуса, показ фокусов.

Методы исследования: анализ математической литературы, сбор информации, практический эксперимент.

План

Введение

Глава первая. А. Ф. Мёбиус и его открытие.

1.1. Историческая справка.

1.2. Что такое лист Мёбиуса?

1.3. Топология как наука.

1.4. Существуют ли ещё объекты подобные листу Мёбиуса?

1.5. Свойства листа Мёбиуса.

2.1. Проведение экспериментов.

2.2. Фокус.

Заключение

Литература

Введение

«Лучший способ изучить что-либо-это открыть самому»

Д. Пойа

Различные исследования-это поход в неизвестность, движение к новым знаниям и открытиям. Математическое исследование «Листа Мёбиуса», лишь слегка приоткрывает занавес, за которым скрывается изумительно красивый мир науки.

У каждого из нас есть интуитивное представление о том, что такое "поверхность". Поверхность листа бумаги, поверхность стен класса, поверхность земного шара известны всем. Может ли быть что-нибудь неожиданное и даже таинственное в таком обычном понятии?

Проблема:

Узнать, что такое «лист Мёбиуса» и как его можно использовать.

Гипотезы исследования:

Вероятно Мёбиус-это учёный.

А что если лист Мёбиуса растёт на дереве «Мёбиус»?

Скорей всего на листе Мёбиуса можно писать, делать рисунки, резать его на части.

Возможно лист Мёбиуса применяется в технике и искусстве.

Цель:

Выяснить, что такое лист Мёбиуса?

Задачи исследования:

Познакомиться со свойствами листа Мёбиуса.

3. Выяснить, где применяется лист Мёбиуса.

Изучить опыты с листом Мёбиуса, которые описываются в математической литературе и провести эксперименты.

Для изучения данной проблемы я использовала ресурсы библиотеки, Интернета, мне помогал учитель и родители.

Глава первая. А. Ф. Мёбиус и его открытие

1.1. Историческая справка.

Таинственный и знаменитый лист Мёбиуса (иногда говорят: "лента Мёбиуса") придумал в 1858 г. немецкий геометр Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868), ученик "короля математиков" Гаусса.

Мёбиус был первоначально астрономом, как Гаусс и многие другие из тех, кому математика была 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 открытие поразительной красоты. Это открытие односторонних поверхностей, одна из которых - лист Мёбиуса.

В 1858 году Август Фердинанд Мёбиус послал в Парижскую академию наук работу, включавшую сведения об этом листе. Семь лет он дожидался рассмотрения своей работы и, не дождавшись, опубликовал ее результаты.

Одновременно с Мёбиусом изобрел этот лист и другой ученик К.Ф. Гаусса – Иоганн Бенедикт Листинг (1808 – 1882), профессор Геттингенского университета. Свою работу он опубликовал на три года раньше, чем Мёбиус, – в 1862 году.

Что же поразило этих двух немецких профессоров? А то, что у листа Мёбиуса всего одна сторона. Мы же привыкли к тому, что у всякой поверхности, с которой мы имеем дело (лист бумаги, велосипедная или волейбольная камера), – две стороны.

1.2. Что такое лист Мёбиуса?

Лист Мёбиуса - это простейшая односторонняя поверхность с краем Попасть из одной точки этой поверхности в любую другую можно, не пересекая края. Всякая замкнутая поверхность, лежащая в трёхмерном пространстве, разделяет его на две части - ограниченную «внутренность» и неограниченную «внешность», подобно тому, как замкнутая кривая разделяет плоскость на две части.

Самое же удивительное, пожалуй, то, что я смогу её сделать своими руками и это совсем несложно. Надо лишь взять полоску бумаги и для ясности обозначим углы с одной стороны ленты А и В, а с другой-А 1 и В 1 . Далее склеить её концы, предварительно повернув один из них на 180 о . И тогда в ваших руках окажется лист, или лента Мёбиуса.

1.3. Топология как наука.

В ходе исследования я узнала, что Мёбиуса считают основателем топологии.

Лист Мёбиуса - один из объектов области математики под названием "топология" (по-другому - "геометрия положения"). Удивительные свойства листа Мёбиуса - он имеет один край, одну сторону, - не связаны с его положением в пространстве, с понятиями расстояния, угла и тем не менее имеют вполне геометрический характер. Изучением таких свойств занимается топология.

В топологии изучаются свойства фигур и тел, которые не меняются при их непрерывных деформациях (как если бы они были сделаны из резины).

С точки зрения топологии баранка и кружка - это одно и то же. Сжимая и растягивая кусок резины, можно перейти от одного из этих тел ко второму. А вот баранка и шар - разные объекты: чтобы сделать отверстие, надо разорвать резину.

Сама топология, можно сказать началась именно с листа Мёбиуса. Слово это придумал Иоган Бенедикт Листинг.

Наука эта молодая и потому озорная. Иначе не скажешь о тех правилах игры, которые в ней приняты. Любую фигуру тополог имеет право сгибать, скручивать, сжимать и растягивать – делать с ней всё что угодно, только не разрывать и не склеивать. И при этом он будет считать, что ничего не произошло, все её свойства остались неизменными. Для него не имеют никакого значения ни расстояния, ни углы, ни площади. А что же его интересует? Самые общие свойства фигур, которые не изменяются ни при каких преобразованиях, если только не случается катастрофы – «взрыва» фигуры. Поэтому иногда топологию называют «геометрией непрерывности».

Она известна и под именем «резиновая геометрия», потому что топологу ничего не стоит поместить все свои фигуры на поверхность детского надувного шарика и без конца менять его форму, следя лишь за тем, чтобы шарик не лопнул. А то, что при этом прямые линии, например, стороны треугольника, превратятся в кривые, для тополога глубоко безразлично.

1.4. Существуют ли ещё объекты подобные листу Мёбиуса ?

Возникает логичный вопрос: «Существуют ли ещё подобные объекты?»

Да, существуют, и в научной литературе описаны ещё более замысловатые, о них очень интересно узнавать.

Если Лист Мебиуса – «условно двумерный объект» (он получен из плоской полоски), то его подружка - Бутылка Клейна полноправно занимает 3 измерения.

Запустите сюда муравья, и бедняга побывает во всех точках Бутылки Клейна – не делая в ней дырок, и не переползая через край.

На всех рисунках показано следующее: в месте, где трубка «проникает в бутылку» - нет зазора, казалось бы это не правильно! Ведь если нет зазора, тогда муравей должен будет выползать из бутылки тем же маршрутом, каким он туда вползал. Разве бродя по Листу Мебиуса ему нужно было разворачиваться, после того как он куда-то дошёл? Бесконечность, она на то и бесконечность!

А почему мы только обходим Бутылку Клейна? Что же будет, если разрезать Бутылку Клейна?

Это невероятно, но получился Лист Мебиуса. Резать, правда, нужно было так, что бы режущий предмет делал оборот в 360 градусов между начальной точкой и конечной.

Чудеса! Бутылка Клейна в трёх измерениях - это аналог Листа Мёбиуса в двух измерениях.

1.5. Свойства листа Мёбиуса.

Из статьи «Элементы топологии на примере листа Мёбиуса» я узнала о свойствах этого топологического объекта.

Односторонность

В своей работе «Об объёме многогранников» Август Мёбиус описал геометрическую поверхность - лист Мёбиуса, обладающую совершенно невероятным свойством: она имеет только одну сторону! И я наглядно могу убедиться, что у этой ленты Мёбиуса действительно всего одна сторона. Попробую закрасить перекрученную ленту в два цвета – одним с внутренней стороны, а другим с внешней. Чтобы я не придумывала, мне это не удастся. Но зато муравью, ползущему по листу Мёбиуса, не надо переползать через край, чтобы попасть на противоположную сторону, как это видно на гравюре художника Маурица Эшера «Лента Мёбиуса II».

Непрерывность

Это ещё одно топологическое свойство. Если сравнить схему самолётных маршрутов и географическую карту, то убедитесь, что масштаб Аэрофлотом далеко не выдержан – скажем, Свердловск может оказаться на полпути от Москвы до Владивостока. И всё-таки что-то общее между географической картой есть. Москва действительно связана со Свердловском, а Свердловск – с Владивостоком. И поэтому тополог может как угодно деформировать карту, лишь бы точки, ранее бывшие соседями, оставались одна подле другой и дальше. А значит с топологической точки зрения круг неотличим от квадрата или треугольника, потому что их легко преобразовать один в другой, не нарушая непрерывности. Взгляните с этой точки зрения на нашего старого знакомца и увидите: на листе Мёбиуса любая точка может быть соединена с любой другой точкой и при этом муравью на гравюре Эшера ни разу не придётся переползать через край «ленты». Разрывов нет – непрерывность полная.

Связность.

Если квадрат полоснуть бритвой от стороны к стороне, то он, естественно, распадётся на два отдельных куска. Точно также любой удар ножом разделит яблоко на две части. Но вот чтобы располовинить кольцо, нужно уже два разреза. И два раза придётся резать бублик, если вы хотите угостить им двух друзей. А телефонный диск можно десять раз рассечь ножом от одной замкнутой кривой до другой, а он останется единым целым. Поэтому любой тополог скажет, что квадрат и ромашка – односвязны, кольцо и оправа от очков – двусвязны, а всяческие решётки, диски с отверстиями и подобные сложные фигуры – многосвязны.

А лист Мёбиуса? Конечно двусвязен, т.к. если разрезать его вдоль, он превратится не в два отдельных кольца, а в одну целую ленту.

1.6. Применение листа Мёбиуса в жизни.

Лист Мёбиуса находит многочисленное применение в науке, технике, искусстве и в изучении свойств Вселенной.

Свойство односторонности листа Мёбиуса было использовано в технике:

Полоса ленточного конвейера, шлифовальная лента, выполненная в виде ленты Мёбиуса, позволяет ему работать дольше, потому что вся поверхность ленты равномерно изнашивается.

Также в системах записи на непрерывную плёнку применялись ленты Мёбиуса (чтобы удвоить время записи).

В матричных принтерах красящая лента имела вид листа Мёбиуса для увеличения срока годности. Это дает ощутимую экономию.

Лист Мёбиуса в искусстве служит вдохновением для скульптур и для графического искусства. Мауриц Эшер был одним из художников, кто особенно любил его и посвятил ему работы. Одна из известных, показывает муравьёв, ползающих по поверхности листа Мёбиуса - «Лента Мёбиуса- II ». Замкнутая кольцеобразная полоса, на первый взгляд имеет две поверхности - внешнюю и внутреннюю. Вы видите, как 9 красных муравьёв один за другим ползут по той и по другой. Тем не менее, это полоса с односторонней поверхностью.

Даже мастерицы-рукодельницы изготавливают шарфики, закрученные в эту чудо ленту. Писатели-фантасты сочиняют о ней произведения, поэты посвящают ей стихи.

Конечно же, главная ценность листа Мёбиуса, представленного в моей работе, состоит в том, что он дал толчок новым исследованиям. Математические исследования продолжаются и в наши дни. Именно поэтому его часто считают символом современной математики и изображают на различных эмблемах и значках, как, например, на значке механико-математического факультета Московского университета.

Глава вторая. Практическая часть.

Эксперименты «Сюрпризы листа Мёбиуса»

2.1 Проведение экспериментов.

Мною проведено несколько экспериментов с листом Мёбиуса, в которых я постаралась ответить на интересующие меня вопросы, и сделала определённые выводы.

Для работы нужно подготовить достаточное количество бумажных лент, с которыми будут проводиться эксперименты. ,

Хороши ленты, у которых длина примерно в 4 раза больше ширины. При разрезании листов Мёбиуса, склеенных из более узких лент, получатся слишком тонкие "кольца".

Итак, нам для работы понадобится набор лент, клей и ножницы.

Опыт № 1

Постепенно окрашиваем его в какой-нибудь цвет, начиная с любого места.

Результат окрашивания – весь лист полностью окрашен

Это подтверждение того, что лист Мёбиуса односторонняя поверхность.

Опыт № 2.

Исходный материал – обычное кольцо, склеенное из полоски бумаги.

Результат разрезания кольца посередине – два отдельных обычных

Кольца. Свойства – длина окружности та же, но кольца в два раза уже исходного.

3. А если лист Мёбиуса разрезать посередине (то есть на 2 полоски)?

Опыт № 3.

Исходный материал – лист Мёбиуса.

Результат разрезания кольца посередине – одно кольцо (Свойства – кольцо перекручено дважды, оно вдвое длиннее, но в два раза уже.

4. Каков результат разрезания листа Мёбиуса на 3 полоски? 5полосок?

Опыт № 4.

Исходный материал - на обеих сторонах ленты на равном расстоянии от краев проводим по две пунктирные линии. Склеиваем лист Мёбиуса. Разрезаем по пунктирным линиям (на 3 полоски).

Результат разрезания–п олучается 2 кольца. Одно из них вдвое длиннее первоначальной ленты и вдвое перекручено. Оно получилось из краев исходной ленты. Другое - лист Мёбиуса - состоит из центральной части исходного листа Мёбиуса.

Опыт № 5.

Исходный материал - лента шириной 5 см, на которой нанесен пунктир, отступив от края на 1 см, 2 см, 3 см и 4 см. Сделаем из неё лист Мёбиуса. Разрезаем его по пунктиру (на 5 полосок).

Результат разрезания - п олучим 3 кольца: I - лист Мёбиуса - 1 перекрут, ширина 1 см, длина равна длине исходного кольца. II, III - кольца с двумя перекрутами, ширина 1 см, длина в 2 раза больше исходного листа. II и III кольцо сцеплены с I кольцом и между собой. Далее я решила провести опыты с разрезанием листа Мёбиуса на 4, 6, 7 полосок и занесла результаты в таблицу.

Результаты опыта

На сколько полосок разрезан лист Мёбиуса

Что получилось при разрезании листа Мёбиуса

большие

маленькие

При разрезании листа Мёбиуса на чётное число полосок получаются только большие сцеплённые кольца, которые в два раза меньше, чем количество полосок.

При разрезании листа Мёбиуса на нечётное число полосок получаются одно маленькое и несколько больших колец, сцеплённых с маленьким.

5. А что получится, если прорезать в полосе листа Мёбиуса щель и склеить лист Мёбиуса так, чтобы один конец полосы проходил в щель?

Опыт № 6.

Исходный материал – лист Мёбиуса. (Прорезаем в полосе щель и склеиваем лист Мёбиуса так, чтобы один конец полосы проходил в щель.)

Результат разрезания - п родолжаем разрез вдоль всей ленты, получаем кольцо с двумя перекручиваниями. Свойства – кольцо перекручено дважды, оно вдвое длиннее, но в два раза уже.

6. Попробую перекрутить кольцо два раза.

Опыт № 7.

Исходный материал – кольцо с двумя перекручиваниями.

Результат разрезания кольца посередине – два кольца, соединенные между собой.

Свойства – кольца перекручены один раз (лист Мёбиуса), длина окружности та же, но они в два раза уже.

Совершенно неожиданные вещи происходят с бумажной полоской под названием лист Мёбиуса. В дальнейшем я продолжу опыты с перекручиванием колец и двойными кольцами. (Двойные кольца-это когда склеивается обычное кольцо и мёбиусово)

В детстве меня папа научил показывать фокус с шарфом, но я и не предполагала, что к этому имеет отношение лист Мёбиуса.

2.2 Фокус

1.Завязать на шарфе узел, не выпуская из рук его концов.

Заключение.

«Мышление начинается с удивления»,- заметил 2500 лет назад Аристотель. А математика замечательный предмет для удивления. В ходе математического исследования, я узнала много нового и интересного, необычного. Чтобы проверить свои гипотезы, я читала книги, работала с различными источниками информации в сети Интернет, проводила эксперименты.

Выводы:

Поставленной цели я достигла, так как я теперь знаю, что Мёбиус-это великий немецкий учёный, который внёс огромный вклад в развитие науки. Таким образом, получается, что верна первая гипотеза, а предположение что лист Мёбиуса растёт на дереве «Мёбиус» совершенно не верно.

Ещё по ходу исследования я узнала, что наука топология-это раздел математики, изучающий явление непрерывности и познакомилась со свойствами листа Мёбиуса.

Предположение о применении листа Мёбиуса (ленты Мёбиуса) в технике и искусстве оказалось верным. Ленту Мёбиуса можно встретить в различных сферах деятельности человека.

Гипотеза о том, что на листе Мёбиуса можно писать, делать рисунки, резать его на части - верна частично. Ведь писать и рисовать удобнее в тетради и альбоме, а вот разрезая его на части можно проводить различные увлекательные эксперименты.

В дальнейшем я продолжу работу над данной темой. Меня интересует показ фокусов в цирке, и я продолжу эксперимент с перекручиванием колец и с двойными кольцами.

Литература

1. Стройк Д.Я. (перевод с немецкого и дополнения Погребысского И.Б.) Краткий очерк истории.

2 . Джон Дж. О’Коннор и Эдмунд Ф. Робертсон.

3. Август Мёбиус http :// www . calend . ru / person /2637/|

4.Статья: Что такое лист Мёбиуса?

5.Лэнгдон Н., Снейп Ч. «С математикой в путь» Издательство «Педагогика», 1987г., с. 42-43

6. Леонова О.А. Введение в топологию «Лист Мёбиуса».

7. Статья: Трогаем бесконечность. Мебиус, Клейн и другие

топологические парадоксы

8. Видеоролик «Разрезание бутылки Клейна» (The Klein Bottle ), http :// video . yandex . ru / seapch . xml ? text

9. Статья: Элементы топологии на примере листа Мёбиуса http://sola.narod.ru/top.htm

10. Кордемский Б.А, Топологические опыты своими руками. Квант. 1974, №3, с. 73-75

11.Статья:

12. Искусство и технология http :// dik . academic . ru / dic . nsf / ruwiki /37.129#.

План

Введение

Историческая справка
Топология, как часть геометрии
Лента Мёбиуса, её свойства

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 180о), 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 разреза?ть 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 ?, что из полоски длины больше ? ленту Мёбиуса склеить можно, а из полоски длины меньше ? - нельзя, Что будет для полоски, длина которой в точности равна ?,нас не интересует. Очень хотелось бы найти это ?.

Удивительно, но решение этой задачи до сих пор не известно.

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.

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 ? - нижней грани длин бумажных полосок ширины 1, из которых можно склеить несмятую ленту Мёбиуса.

Теорема 1: ? ? ? /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.

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 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 располагается непрерывное семейство образующих. При движении от [АВ] к величина угла, который эти образующие составляют в пространстве с [АВ], непрерывно изменяется от 0° до 180°.

Возьмём любое n и найдём между [АВ] и такие образующие [А1В1],….,[Аn-1Вn-1], что величина угла между [АВ] и равна к. 180°/n. Точки А1, …, Аn-1 в этом порядке лежат между А и С, а точки В1, …, Вn-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], [Аn-1С] + не меньше длины а2n стороны правильного 2n-угольника, вписанного в окружность радиуса 1. Это видно на рисунке 11. На этом рисунке отрезки АкЕ и Ак+1Вк+1 равны по длине, параллельны и направлены в одну сторону, = [АкН] = 1 и || [ЕВк] (рис. 11 сделан в предположении, что [Ак+1Вк+1] < ; изменения, необходимые в случаях [Ак+1Вк+1] = и [Ак+1Вк+1] > , очевидны). Мы видим, что + = + ? ? ? ? a2n (здесь |, , - длины изображённых на рисунке 11 криволинейных отрезков; эти длины совпадают с длинами отрезков , рисунка 10. Предпоследнее неравенство следует из того, что DFHG > 90°, а последнее - из того, что DFAkH ? 180°/n).

Итак, 21 = [АС] + = ([АА1] + [ВВ1]) + ([А1А2] + [В1В2]) + ... + ([Аn-1С] + ) ? 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 ?, и l ? ?/2. Теорема доказана.

Теорема 2: ? ? ?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 ? /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 ?/2, и стремящимся к ?/2 при n, стремящимся к? (ширина полоски стремится к 1, а длина - к ?/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

М. Гарднер «Математические чудеса и тайны», «Наука» 1978 г., стр. 43-48.
Е.С. Смирнова «Курс наглядной геометрии» 6 класс, «Просвещение» 2002 г., стр. 63-67.
Современный словарь иностранных слов, «Русский язык» 1993 г., стр. 146, 468, 579, 612.
И.Ф. Шарыгин, Л.Н. Еранжиева «Наглядная геометрия» 5-6 класс, «Дрофа» 2000 г., стр. 69-72.
Энциклопедия для детей «Математика», «Аванта+» 2001 г., стр. 111-112.
Б.А. Кордемский «Топологические опыты своими руками», научно-популярный журнал «Квант» 1974 г., №3, стр. 73-75.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.