Стивен Строгац - Удовольствие от Х.Увлекательная экскурсия в мир математики от одного из лучших преподавателей в мир
В случае с матрасом преобразования приводят к изменению его положения в пространстве (в этом состоит изменение), однако при этом сохраняется его упругость (в этом состоит ограничение). В результате матрас должен идеально ложиться на каркас кровати (то, что остается неизменным). Взяв за основу перечисленные правила, рассмотрим, какие преобразования свойственны элементам этой замечательной маленькой группы. Оказывается, их всего четыре.
Первое состоит в том, чтобы ничего не делать, — отличный выбор для лентяев, предпочитающих не трогать матрас. Несомненно, такое преобразование удовлетворяет всем правилам, однако вряд ли продлит жизнь матраса. Тем не менее чрезвычайно важно включить его в группу. Оно играет в теории групп такую же роль, как 0 в сложении чисел и 1 в умножении. Математики называют его нейтральным (или единичным) элементом, я обозначу его символом I.
При следующих трех способах действительно придется переворачивать матрас. Чтобы различать их, приклеим на углы матраса этикетки с номерами.
Картинка, на которой изображен первый способ переворачивания, находится в начале главы. На ней симпатичный мужчина в полосатой пижаме пытается перевернуть матрас на 180 градусов. Этот горизонтальный переворот обозначим как H.
Вертикальный переворот обозначим как V. При этом маневре матрас сначала находится в вертикальном положении, так что почти достает до потолка, а затем опрокидывается на другую сторону. Помимо грохота, который вы наделаете, чистым результатом вашего действия станет поворот матраса на 180 градусов вокруг поперечной оси, как показано ниже.
Наконец, можно повернуть матрас на пол-оборота, не поднимая его с кровати.
В отличие от переворачиваний H и V, при повороте R верхняя поверхность матраса остается вверху.
Теперь посмотрим на матрас, чтобы понять, в чем разница между его переворотами. Представим себе, что он полупрозрачный, взглянем на него сверху и проверим числа в углах матраса после каждой из возможных трансформаций. При горизонтальном переворачивании получаем зеркальное отражение чисел. Они тоже изменили порядок, поскольку числа 1 и 2 и 3 и 4 поменялись местами.
При вертикальном переворачивании порядок чисел тоже изменился, но по-другому: они, помимо своего зеркального отражения, еще и перевернулись вверх тормашками.
При вращении зеркального отражения не получается, а числа повернулись кверху вниз, и там, где была 1, теперь 4, а вместо 2 появилось 3.
Однако это лишь детали. Самое главное — как эти преобразования соотносятся друг с другом. В схемах их взаимодействия зашифрована симметрия матраса.
Чтобы выявить их с минимальными усилиями, нарисуем следующую диаграмму.
В углах схемы изображены четыре возможных положения матраса. Картинка в левом верхнем углу является точкой отсчета. Стрелка указывает на движения, совершаемые матрасом при переходе из одного положения в другое.
Например, стрелка, ведущая из верхнего левого угла к нижнему правому, описывает вращение R. Она двусторонняя, поскольку, если выполнить действие R дважды, это будет равносильно возврату в исходное положение.
Данное свойство поворота можно описать уравнением RR = I, где RR означает «дважды выполнить действие R», а I является нейтральным элементом, означающим отсутствие действия. При горизонтальном и вертикальном переворачивании тоже происходит отмена этих преобразований: HH = I и VV = I.
На схеме также представлено много другой информации. Например, здесь показано, что рискованное вертикальное переворачивание V эквивалентно действию HR, горизонтальному переворачиванию, сопровождаемому поворотом. Этот путь к аналогичному результату гораздо безопаснее. Данную последовательность действий можно записать в виде уравнения HR = V122.
Следует также отметить, что порядок выполнения действий не имеет значения, поскольку HR = RH, и оба пути ведут к V. Это верно для любой другой пары действий. Вы можете подумать, что это подобно коммутативному (переместительному) закону для сложения обычных чисел x и y, согласно которому x + y = y + x. Однако будьте внимательны: группа в примере с матрасом — особый случай. Во многих других группах коммутативный закон нарушается. Подчиняющиеся ему группы-счастливчики будут особенно понятными и простыми.
А теперь итоги. Эта схема показывает, как добиться наиболее равномерного изнашивания матраса. Любая стратегия, примененная для всех четырех состояний, будет периодически работать. Например, чередование действий R и H удобно, а поскольку у нас есть возможность миновать шаг V, то нам не требуется много физических усилий. Чтобы напомнить о необходимости выполнять эти действия, некоторые производители дают такой совет: «весной — поворот, осенью — переворот».
Группа чисел, свойственная матрасу, иногда всплывает в самых неожиданных местах, начиная от симметрии молекул воды и заканчивая принципами действия пары электрических переключателей. В этом и состоит прелесть теории групп. Благодаря ей становится очевидным единство вещей, которые в других случаях кажутся не связанными между собой — как в анекдоте о том, как физик Ричард Фейнман получил отсрочку от призыва в армию123.
Армейский психиатр попросил Фейнмана вытянуть вперед руки. Тот выполнил просьбу, выставив одну руку ладонью вверх, а вторую ладонью вниз. «Нет, по-другому», — сказал психиатр. Тогда Фейнман перевернул обе руки так, что одна ладонь опять оказалась вверху, а вторая внизу.
Фейнман не играл в игры разума, а просто решил немного пошутить в духе теории групп. Если рассмотреть все возможные способы вытягивания рук, а также различные переходы между ними, то стрелка образует такую же модель, как и в группе чисел матраса!
Однако все это слишком усложняет наши отношения с матрасами. Возможно, настоящий урок здесь тот, который вам и так известен: если вас что-нибудь беспокоит, ложитесь спать, и все пройдет.
27. Кручение и склеивание
В нашей местной начальной школе существует традиция приглашать в класс родителей для разговоров с детьми. Благодаря этому ребята узнают о различных профессиях и многих вещах, которым их не учат в школе.
Когда пришла моя очередь, я явился в первый класс, где училась моя дочь, с сумкой, наполненной лентами Мебиуса124. Накануне вечером мы с женой нарезали длинные полоски из бумаги и скрутили каждый из них на пол-оборота, вот так:
а затем склеили концы полосок так, чтобы получились ленты Мебиуса.
Для этого увлекательного занятия с формами для шестилетних детей требуются лишь ножницы, карандаши, скотч и немного любознательности.125
Когда мы с женой раздали ученикам ленты Мебиуса и указанные выше принадлежности, учитель спросил у детей, каким, по их мнению, предметом они сейчас занимаются. Один мальчик поднял руку и сказал: «Не уверен, каким именно, но точно знаю, что не языкознанием».
Конечно, учитель ожидал от него ответа «искусство» или, скорее, «математика». Однако лучшим ответом стала бы «топология»126. (В Итаке кто-нибудь из первоклассников обязательно бы такое выдал. Однако в том году ученик, чьи родители занимались топологией, учился в другом классе.)
Итак, что же такое топология? Это энергично развивающаяся отрасль современной математики, ответвление геометрии, но только более свободное. В топологии две формы рассматриваются как одна, если одна из них непрерывно переходит в другую в результате изгибов, кручения, растягивания или любой другой непрерывной деформации, но при этом ее нельзя разрывать или прокалывать. В отличие от жестких объектов в геометрии, объекты в топологии ведут себя так, как если бы были бесконечно гибкими или сделанными из идеальной резины.
Топология фокусирует внимание на самых глубинных свойствах формы, тех, которые не изменяются после непрерывной деформации. Например, две полоски резины, одна в форме квадрата, а вторая — круга, топологически неразличимы. Здесь не имеет значения, что у квадрата четыре угла и четыре прямые стороны. Эти свойства несущественны. При непрерывной деформации от них можно избавиться, округлив углы квадрата и изогнув его стороны в дуги.
Но есть одна вещь, от которой подобная деформация избавиться не может — это свойственная кругу и квадрату замкнутость линии границы127. Обе фигуры ограничены замкнутыми кривыми. Это их общая топологическая сущность.
