Кіріспе

Математиканың (тегіс) функцияларын зерттейтін математиканың саласы. Математикада геометриялық топология — көптүрліліктерді және олардың арасындағы бейнелеулерді, әсіресе бір көптүрліліктің екіншісіне енуін зерттейтін ғылым.

Тарих

Геометриялық топология алгебралық топологиядан ерекше сала ретінде 1935 жылы Ридмейстер торсионы арқылы линзалық кеңістіктерді жіктеумен туындаған деп айтуға болады, ол гомотопиялық түрде тең, бірақ гомеоморф емес кеңістіктерді ажыратуды қажет етті. Осыдан қарапайым гомотопия теориясы пайда болды. «Геометриялық топология» термині мұндай кеңістіктерді сипаттау үшін салыстырмалы түрде жақында қолданыла бастады.

Төмен өлшемді және жоғары өлшемді топология арасындағы айырмашылықтар

Көпөлшемділер жоғары және төмен өлшемдегі мінез-құлқы жағынан күрт өзгешеленеді. Жоғары өлшемді топология 5-ші өлшем және одан жоғары, немесе салыстырмалы түрде 3-ші және одан жоғары кодименсиядағы енгізулерді қарастырады. Төмен өлшемді топология 4-ке дейінгі өлшемдердегі мәселелермен немесе 2-ге дейінгі кодименсиядағы енгізулермен айналысады. 4-өлшем ерекше, себебі кейбір жағынан (топологиялық тұрғыдан) 4-өлшем жоғары өлшемді, ал басқа жағынан (дифференциалдық тұрғыдан) төмен өлшемді болып табылады; осы қабаттасу 4-өлшемге тән ерекше құбылыстарға әкеледі, мысалы, R4-те экзотикалық дифференциалдық құрылымдар. Сондықтан 4-түркінің топологиялық жіктелуі принципі бойынша жүзеге асырылуы мүмкін, ал негізгі сұрақтар: топологиялық түркі дифференциалдық құрылымды қабылдай ма және егер қабылдаса, қанша? 4-өлшемнің тегіс жағдайы – жалпыланған Пуанкаре болжамының соңғы шешілмеген мәселесі; Глюк бұрылыстарын қараңыз. Осы айырмашылықтың себебі – хирургиялық теорияның 5-ші өлшемде және одан жоғарыда жұмыс істеуі (әрине, көп жағдайларда ол 4-ші өлшемде топологиялық түрде жұмыс істейді, бірақ оны дәлелдеу өте қиын), сондықтан 5-ші өлшемдегі және одан жоғарыдағы көптүрліліктердің мінез-құлқы хирургиялық теория бағдарламасын қолдану арқылы зерттелуі мүмкін. 4-ші өлшемде және төмен (топологиялық тұрғыдан, 3-ші өлшемде және төмен) хирургиялық теория жұмыс істемейді. Шындығында, төмен өлшемді көптүрліліктерді талқылаудың бір жолы – «егер хирургиялық теория жұмыс істейтін болса, не болжар еді?» деген сұрақ қою және төмен өлшемді құбылыстарды осыдан ауытқу ретінде түсіну. 5-өлшемдегі айырмашылықтың нақты себебі – хирургиялық теорияның негізгі техникалық құралы болып табылатын Уитни енгізу теоремасының 2+1 өлшемді талап етуі. Шамамен айтқанда, Уитни амалы түйінді сфераларды «бөлшектеуге» мүмкіндік береді, дәлірек айтқанда, енгізулердің өзіндік қиылыстарын жояды; ол мұны дискінің гомотопиясы арқылы жасайды – дискінің 2 өлшемі бар, ал гомотопия тағы 1 өлшем қосады – сондықтан 2-ден жоғары кодименсияда бұл өзіндік қиылыспай жасалуы мүмкін; сондықтан 2-ден жоғары кодименсиядағы енгізулерді хирургия арқылы түсінуге болады. Хирургиялық теориядағы негізгі қадам ортаңғы өлшемде болады, сондықтан ортаңғы өлшемде 2-ден жоғары кодименсия болса (шамамен, 2½ жеткілікті, сондықтан жалпы өлшем 5 жеткілікті), Уитни амалы жұмыс істейді. Мұның маңызды салдары – Смелдің h-кобордизм теоремасы, ол 5-ші өлшемде және одан жоғарыда жұмыс істейді және хирургиялық теорияның негізін құрайды. Уитни амалының модификациясы 4-өлшемде жұмыс істей алады және ол Кассон тұтқалары деп аталады, себебі өлшемдер жеткіліксіз, Уитни дискісі жаңа бұрылыстарды енгізеді, оларды басқа Уитни дискісімен шешуге болады, нәтижесінде дискілер тізбегі («мұнарасы») пайда болады. Бұл мұнараның лиміті топологиялық, бірақ дифференциалданбайтын бейнелеуді береді, сондықтан хирургия 4-өлшемде топологиялық, бірақ дифференциалданбайтын түрде жұмыс істейді.

Негізгі топ

Барлық өлшемдерде, көпқырлының негізгі тобы өте маңызды инвариант болып табылады және оның құрылымының көп бөлігін анықтайды; 1, 2 және 3 өлшемдерде мүмкін негізгі топтар шектеулі, ал 4-ші өлшемде және одан жоғары әрбір шекті түрде берілген топ көпқырлының негізгі тобы болып табылады (мұны 4 және 5 өлшемді көпқырлылар үшін көрсету жеткілікті екенін ескеріңіз, содан кейін жоғары өлшемділерді алу үшін сфералармен көбейтуге болады).

Бағдарлану

Егер кеңістік тұрақты бағытты таңдауға мүмкіндік берсе, онда ол бағытталған болады, ал байланысты бағытталған кеңістік дәл екі түрлі бағытқа ие. Осы ретте, қажетті қолданысқа және жалпылау деңгейіне байланысты, бағытталғандықтың әртүрлі эквивалентті формулировкаларын беруге болады. Жалпы топологиялық кеңістіктерге қолданылатын формулировкалар көбінесе гомология теориясының әдістерін пайдаланады, ал дифференциалданатын кеңістіктерде көбірек құрылым бар, бұл дифференциалдық формалар арқылы формулировка жасауға мүмкіндік береді. Кеңістіктің бағытталғандығы түсінігінің маңызды жалпылауы – басқа кеңістікпен (талшықты шоғыр) параметрленген кеңістіктер жиынының бағытталғандығы, онда параметрлердің өзгеруіне қарай үздіксіз өзгеретін әрбір кеңістікте бағытты таңдау қажет.

Жергілікті жазықтық

Жергілікті жазықтық – жоғары өлшемді топологиялық көптүрліліктегі субкөптүрліліктің қасиеті. Топологиялық көптүрліліктер санатында жергілікті жазық субкөптүрліліктер, тегіс көптүрліліктер санатындағы енгізілген субкөптүрліліктерге ұқсас рөл атқарады. D өлшемді N көптүрлілігі n өлшемді M көптүрлілігіне енгізілген деп есептейік (d < n). Егер N нүктесі x-те жергілікті жазық деп айтсақ, онда x-тің маңындағы аймақ бар, онда топологиялық жұп , жұпқа гомеоморфты болады, және бұл кіріктіру ретінде болады. Яғни, гомеоморфизм бар, онда оның бейнесімен сәйкес келеді.

Шонфлидің теоремалары

Жалпыланған Шенфлайз теоремасы былай гласиды: егер (n − 1) өлшемді сфера S, n өлшемді сфера Sn-ге жергілікті тегіс түрде енгізілсе (яғни, енгізу қалың сфераға дейін кеңейтілсе), онда (Sn, S) жұбы (Sn, Sn−1) жұбына гомеоморфты болады, мұнда Sn−1 – n сферасының экваторы. Браун мен Мазур осы теореманы тәуелсіз дәлелдегені үшін Веблен сыйлығын алды.

Торап теориясы

Тораптар теориясы – математикалық тораптарды зерттейтін ғылым. Күнделікті өмірде аяқ киімнің шнурлары мен арқандарда кездесетін түйіндерден шабыттанғанмен, математиктер зерттейтін тораптың ерекшелігі – оның екі ұшы біріктірілгендіктен, оны шешу мүмкін емес. Математикалық тұрғыдан алғанда, торап – үш өлшемді Евклид кеңістігіндегі (R3) шеңбердің енуі болып табылады. (Топологияны қолданғандықтан, шеңбер классикалық геометриялық ұғыммен ғана емес, сонымен қатар оның барлық гомеоморфизмдерімен байланысты.) Егер бір торапты R3 кеңістігінде өзіне-өзі деформациялау арқылы (бұл әлеуметтік изотопия деп аталады) екінші торапқа түрлендіруге болады, онда екі математикалық торап эквивалентті болып саналады. Бұл түрлендірулер торапталған жіпті кеспей немесе жіпті өзінен өткізбей жасалатын манипуляцияларға сәйкес келеді. Торапты жақсырақ түсіну үшін математиктер оның ұғымын бірнеше жолмен кеңейтті. Тораптар басқа үш өлшемді кеңістіктерде қарастырылуы мүмкін, ал шеңберлерден өзге де объектілер қолданылуы мүмкін; тораптар (математика) деген мақаланы қараңыз. Жоғары өлшемді тораптар – m өлшемді Евклид кеңістігіндегі n өлшемді сфералар.

Жоғары өлшемді геометриялық топология

Жоғары өлшемді топологияда сипаттамалық кластар негізгі инварианттар болып табылады, ал хирургия теориясы – маңызды теория. Сипаттамалық класс – бұл топологиялық кеңістік X-тегі әрбір бас бундельге X-тің когомология класын байланыстырудың тәсілі. Когомология класы бундельдің "бұрылу" дәрежесін өлшейді, атап айтқанда, оның қималары бар ма, жоқ па. Басқаша айтқанда, сипаттамалық кластар – бұл жергілікті көбейту құрылымының жаһандық көбейту құрылымынан ауытқуын өлшейтін жаһандық инварианттар. Олар алгебралық топология, дифференциалдық геометрия және алгебралық геометриядағы біріктіретін геометриялық ұғымдардың бірі. Хирургия теориясы – бұл бір көпқырлыдан екіншісін «бақыланатын» жолмен жасауға қолданылатын әдістер жиынтығы. Хирургия – бұл көпқырлының бөлігін кесіп алып, оны кесу немесе шекара бойымен сәйкестендіре отырып, басқа көпқырлының бөлігімен ауыстыру. Бұл қолшаптық ыдыраумен тығыз байланысты, бірақ одан өзгеше. Ол 3-тен жоғары өлшемді көпқырлыларды зерттеу және жіктеудегі маңызды құрал болып табылады. Техникалық тұрғыдан алғанда, идеясы жақсы түсінілген M көпқырлысынан басталып, оған хирургия жасау арқылы белгілі бір қасиетке ие M' көпқырлысын жасау, сонда гомологияға, гомотопиялық топтарға немесе көпқырлының басқа қызықты инварианттарына тигізетін әсер белгілі болуы керек. Экзотикалық сфераларды жіктеу хирургия теориясының жоғары өлшемді топологиядағы маңызды құрал ретінде пайда болуына себеп болды.