Interested Article - Тор (поверхность)

Красным — образующая окружность

Тор (тороид) — поверхность вращения , получаемая вращением образующей окружности вокруг оси, лежащей в плоскости этой окружности и не пересекающей её .

Обобщенно, тор — топологическое пространство или гладкое многообразие , эквивалентное такой поверхности.

Иногда не требуют, чтобы ось вращения не пересекала образующую окружность. В таком случае, если ось вращения пересекает образующую окружность (или касается её), то тор называют закрытым , иначе открытым .

Понятие тора определяется и в многомерном случае. Тор является примером коммутативной алгебраической группы и примером группы Ли .

История

Тороидальная поверхность впервые была рассмотрена древнегреческим математиком Архитом при решении задачи об удвоении куба . Другой древнегреческий математик, Персей , написал книгу о спирических линиях — сечениях тора плоскостью, параллельной его оси.

Ось тора

Ось вращения может пересекать окружность, касаться её и располагаться вне окружности. В первых двух случаях тор называется закрытым, в последнем — открытым, или кольцом .

Окружность, состоящая из центров образующих окружностей, называется направляющей окружностью.

Топологические свойства

Тор является поверхностью рода 1 (сфера с одной ручкой). Тор является компактным топологическим пространством.

Тор имеет характеристику Эйлера — Пуанкаре χ=0.

Уравнения

Параметрическое

Уравнение тора с расстоянием от центра образующей окружности до оси вращения R и с радиусом образующей окружности r может быть задано параметрически в виде:

Алгебраическое

Непараметрическое уравнение в тех же координатах и с теми же радиусами имеет четвёртую степень:

Такая поверхность имеет четвёртый порядок.

Существуют другие поверхности, диффеоморфные тору, имеющие другой порядок.

, где x, y комплексные числа. Комплексная эллиптическая кривая , кубическая поверхность.
Вложение тора в 4-мерное пространство. Это поверхность 2 порядка. Кривизна этой поверхности равна 0.

Кривизна поверхности

На торе есть точки с положительной, нулевой и отрицательной гауссовой кривизной.

Тор в трёхмерном пространстве имеет точки положительной и отрицательной кривизны . В соответствии с теоремой Гаусса-Бонне интеграл кривизны по всей поверхности тора равен нулю.


Групповая структура

Свойства

Этапы выворачивания тора
Вариант окраски участков тора
  • Площадь поверхности тора как следствие из первой теоремы Гюльдена : .
  • Объём тела , ограничиваемого тором ( полнотория ), как следствие из второй теоремы Паппа — Гюльдена : .
  • Тор с вырезанным диском («проколотый») можно вывернуть наизнанку непрерывным образом ( топологически , то есть серией диффеоморфизмов ). При этом две пересекающиеся перпендикулярно окружности на нём («параллель» и «меридиан») поменяются местами.
  • Два таких «дырявых» тора, сцепленных между собой, можно продеформировать так, чтобы один из торов «проглотил» другой.
  • Минимальное число цветов, необходимое для раскрашивания участков тора так, чтобы соседние были разного цвета, равно 7. См. также Проблема четырёх красок .

Сечения

Анимация, показывающая разрезание тора бикасательной плоскостью и две получающиеся окружности Вилларсо
Сечения
  • При сечении тора бикасательной плоскостью получающаяся кривая четвёртого порядка оказывается вырожденной: пересечение является объединением двух окружностей называемых окружностями Вилларсо .
    • В частности, открытый тор может быть представлен как поверхность вращения окружности зацепленной за ось вращения
  • Одно из сечений открытого тора — лемниската Бернулли , другие кривые линии являются графическими линиями и называются кривыми Персея (спирическими линиями, сечениями тора плоскостью, параллельной его оси)
  • Некоторые пересечения поверхности тора плоскостью внешне напоминают эллипс (кривую 2-го порядка). Получаемая таким образом кривая выражается алгебраическим уравнением 4-го порядка .

Обобщения

Многомерный тор

Стереографическая проекция

Обобщением 2-мерного тора является многомерный тор (также n -тор или гипертор ):

Поверхность вращения

Тор — частный случай поверхности вращения .

См. также

Примечания

  1. Матем.энциклопедия, 1985, т.5, стр. 405
  2. Королёв Юрий Иванович. . — Издательский дом "Питер", 2008. — С. 172. — 256 с. — ISBN 9785388003669 . 17 февраля 2017 года.
  3. Этапы выворачивания тора были приведены в статье Альберта Такера и Герберта Бейли «Топология» в Scientific American в январе 1950 г.
  4. Подробности приведены в статье М. Гарднера в Scientific American за март 1977. Другие парадоксы, связанные с торами, можно найти в статьях М. Гарднера, опубликованных в Scientific American в декабре 1972 и декабре 1979 гг.
  5. . Дата обращения: 4 ноября 2011. 4 марта 2016 года.

Литература

  • Савёлов А. А. Плоские кривые: Систематика, свойства, применения. М.: Физматгиз, 1960. 293 с. Переиздана в 2002 году, ISBN 5-93972-125-7
Источник —

Same as Тор (поверхность)