Кіріспе
Тегіс көптік, сфераға гомеоморфты, бірақ дифеоморфты емес. Дифференциалдық топология саласында экзотикалық сфера – стандартты Евклидтік n сфераға гомеоморфты, бірақ дифеоморфты емес дифференциалдық көптік M. Яғни, M – бұл оның барлық топологиялық қасиеттері тұрғысынан сфера, бірақ таныс емес тегіс құрылымды алып жүреді (сондықтан "экзотикалық" деп аталады). Алғашқы экзотикалық сфералар өлшемде салынды және 7 сферада кем дегенде 7 дифференциалдық құрылым бар екенін көрсетті. Кез келген өлшемде бағдарланған экзотикалық сфералардың дифеоморфизм кластары, байланысты қосынды бойынша абельдік моноидтың тривиальды емес элементтерін құрайды, егер өлшем 4-ке тең болмаса, ол шекті абельдік топ болып табылады. Экзотикалық сфераларды жіктеу экзотикалық 7 сфералардың байланысты қосынды операциясы бойынша 28-реттік циклдік топтың тривиальды емес элементтері екенін көрсетті. Жалпы алғанда, n ≠ 4 өлшемде, элементтері Sn-дегі тегіс құрылымдардың эквиваленттілік сыныптары болып табылатын шекті абельдік топ бар, егер бір құрылымды екіншісіне бағдарды сақтайтын дифеоморфизм алып өтсе, екі құрылым эквивалентті деп саналады. Топтық операция [x] + [y] = [x + y] арқылы анықталады, мұнда x және y олардың эквиваленттілік сыныптарының кездейсоқ өкілдері, ал x + y – жылтыраған Sn-дегі тегіс құрылымды білдіреді, бұл x және y-дің байланысты қосындысы. Мұндай анықтаманың таңдауға байланысты емес екенін көрсету қажет; шын мәнінде, мұны дәлелдеуге болады.
In an area of mathematics called differential topology, an exotic sphere is a differentiable manifold M that is homeomorphic but not diffeomorphic to the standard Euclidean n sphere. That is, M is a sphere from the point of view of all its topological properties, but carrying a smooth structure that is not the familiar one (hence the name "exotic"). The first exotic spheres were constructed by in dimension as bundles over He showed that there are at least 7 differentiable structures on the 7 sphere. In any dimension showed that the diffeomorphism classes of oriented exotic spheres form the non trivial elements of an abelian monoid under connected sum, which is a finite abelian group if the dimension is not 4. The classification of exotic spheres by showed that the oriented exotic 7 spheres are the non trivial elements of a cyclic group of order 28 under the operation of connected sum. More generally, in any dimension n ≠ 4, there is a finite Abelian group whose elements are the equivalence classes of smooth structures on Sn, where two structures are considered equivalent if there is an orientation preserving diffeomorphism carrying one structure onto the other. The group operation is defined by [x] + [y] = [x + y], where x and y are arbitrary representatives of their equivalence classes, and x + y denotes the smooth structure on the smooth Sn that is the connected sum of x and y. It is necessary to show that such a definition does not depend on the choices made; indeed this can be shown.
Кіріспе
Бірлік n сферасы, , – нақты сандардың барлық (n+1) тізімінен тұратын жиын, олардың қосындысы тең. Мысалы, – шеңбер, ал – радиусы бірге тең қарапайым шардың 3 өлшемдегі беті. Топологтар X кеңістігін n сферасы деп есептейді, егер олардың арасында гомеоморфизм болса, яғни X-тегі әрбір нүкте үздіксіз биекция және үздіксіз кері биекция арқылы бірлік n сферасының нақты бір нүктесіне сәйкес келуі мүмкін. Мысалы, радиусы r-ге тең n сферасындағы x нүктесін, оның координаталар басынан қашықтығын көбейту арқылы бірлік n сферасындағы нүктемен гомеоморфты түрде сәйкестендіруге болады. Сол сияқты, кез келген радиустағы n кубы n сферасына гомеоморфты болады. Дифференциалдық топологияда екі тегіс көпқырлы жазықтық дифеоморфизм арқылы байланысқан жағдайда тегіс эквивалентті деп есептеледі, яғни олардың арасындағы гомеоморфизм, қосымша талап ретінде барлық нүктелерінде барлық реттегі туындылары болуы керек, сондай-ақ кері гомеоморфизм да тегіс болуы тиіс. Туындыларды есептеу үшін X кеңістігінде тұрақты түрде жергілікті координаттар жүйесі анықталған болуы керек. Математиктер (Милнордың өзі де) 1956 жылы таңқалды, себебі Милнор 7 сферасында тұрақты жергілікті координаттар жүйесін екі әртүрлі тәсілмен құруға болатынын көрсетті, олар үздіксіз мағынада эквивалентті болғанымен, дифференциалдық мағынада емес. Милнор және басқалар әрбір өлшемде қанша экзотикалық сфералар болуы мүмкін екенін және олардың бір-бірімен қалай байланысқанын анықтауға тырысты. 1, 2, 3, 5, 6, 12, 56 немесе 61 сфераларында экзотикалық құрылымдар болуы мүмкін емес. Кейбір жоғары өлшемді сфераларда тек екі дифференциалдық құрылым бар, ал басқаларында мыңдаған. Экзотикалық 4 сфералардың бар-жоғы және егер бар болса, олардың саны – әлі шешілмеген мәселе.
Жіктеу
N сфералардағы тегіс құрылымдар моноиды – n сфераға гомеоморфты, бағдарды сақтайтын дифеоморфизмге дейін, бағдарланған тегіс n көптүрліліктердің жиынтығы. Моноид операциясы – байланысқан қосынды. Егер , онда бұл моноид топ болып табылады және ол бағдарланған гомотопиялық n сфералардың h-кобордизм кластарының тобына изоморфты, ол шекті және абельдік. 4-өлшемде тегіс сфералар моноиды туралы көп нәрсе белгілі емес, оның шекті немесе санаулы шексіз және абельдік екені ғана белгілі, бірақ ол шексіз болуы мүмкін; Глюк бұрылыстары туралы бөлімге қараңыз. Барлық гомотопиялық n сфералар, Стивен Смелдің 4-тен жоғары өлшемдерде, Майкл Фридманның 4-өлшемде және Григорий Перельманның 3-өлшемде дәлелдеген жалпыланған Пуанкаре болжамы бойынша, n сфераға гомеоморфты. 3-өлшемде Эдвин Э. Моиз әрбір топологиялық көптүрліліктің негізінен бірегей тегіс құрылымы бар екенін дәлелдеді (Моиз теоремасын қараңыз), сондықтан 3-сферадағы тегіс құрылымдар моноиды тривиальды.
Бөлшектердің арасындағы карта
Квозиент тобының сипаттамасы сфералардың тұрақты гомотопиялық топтарын J гомоморфизмінің бейнесінен модульдеу арқылы беріледі; ол квозиентке тең немесе индексі 2-ге тең. Нақтырақ айтқанда, инъекциялық карта бар, мұнда – сфералардың n-ші тұрақты гомотопиялық тобы, ал J – J гомоморфизмінің бейнесі. J бейнесі циклдік топ болып табылады және , жағдайды қоспағанда, тривиалды немесе 2 ретінде болады, ал бұл жағдайда ол үлкен болуы мүмкін, оның реті Бернулли сандарымен байланысты. Квозиент тобы – сфералардың тұрақты гомотопиялық топтарының «қиын» бөлігі, сәйкесінше экзотикалық сфералардың қиын бөлігі, бірақ іс жүзінде сфералардың гомотопиялық топтарын есептеуге толығымен келеді. Карта не изоморфизм (бейне – бүкіл топ), не индексі 2-ге тең инъекциялық карта. Соңғысы тек қана Кервайр инварианты 1-ге тең n өлшемді жақтаулы көпқырлы болған жағдайда ғана орын алады, бұл Кервайр инварианты мәселесі деп аталады. Осылайша, экзотикалық сфераларды жіктеудегі 2-нің көбейткіші Кервайр инварианты мәселесіне байланысты. 2012 жылдың мәліметтері бойынша, Кервайр инварианты мәселесі дерлік толығымен шешілді, тек жағдай ашық қалды; толық мәліметтер үшін осы мақаланы қараңыз. Бұл негізінен , мұндай көпқырлылардың тек өлшемде ғана бар екенін дәлелдеген, және , өлшем мен одан жоғары өлшемдер үшін мұндай көпқырлылардың жоқ екенін дәлелдеген жұмыстың нәтижесі. Кервайр инварианты 1-ге тең көпқырлылар 2, 6, 14, 30 және 62 өлшемдерде құрастырылды, бірақ 126-өлшем ашық, ешқандай көпқырлы құрастырылмаған немесе жоқ екені дәлелденбеген.
where is the nth stable homotopy group of spheres, and J is the image of the J homomorphism. As with , the image of J is a cyclic group, and is trivial or order 2 except in case , in which case it can be large, with its order related to the Bernoulli numbers. The quotient group is the "hard" part of the stable homotopy groups of spheres, and accordingly is the hard part of the exotic spheres, but almost completely reduces to computing homotopy groups of spheres. The map is either an isomorphism (the image is the whole group), or an injective map with index 2. The latter is the case if and only if there exists an n dimensional framed manifold with Kervaire invariant 1, which is known as the Kervaire invariant problem. Thus a factor of 2 in the classification of exotic spheres depends on the Kervaire invariant problem. as of 2012, the Kervaire invariant problem is almost completely solved, with only the case remaining open; see that article for details. This is primarily the work of , which proved that such manifolds only existed in dimension , and , which proved that there were no such manifolds for dimension and above. Manifolds with Kervaire invariant 1 have been constructed in dimension 2, 6, 14, 30, and 62, but dimension 126 is open, with no manifold being either constructed or disproven.
Милнордың құрылымы
Экзотикалық сфераның алғашқы мысалдарының бірі былай болды. Бірлік шарды , ал оның шекарасын – 3 сфера деп алсын. Оны біз бірлік кватерниондар тобымен теңестіреміз. Енді шардың екі көшірмесін алып, әрқайсысының шекарасы арқылы, бірінші шекарадағы нүктені екінші шекарадағы нүктемен теңестіре отырып, біріктірейік. Соның нәтижесінде пайда болған көпқырлылық табиғи тегіс құрылымға ие және гомеоморфты, бірақ диффеоморфты емес. Милнор оның 4-ші Бетти саны жоғалумен кез келген тегіс 8-қырлылықтың шекарасы емес екенін көрсетті, сондай-ақ өзіне бағытын кері айналдыратын диффеоморфизмі жоқ; осы қасиеттердің кез келгені оның стандартты 7 сфера емес екенін көрсетеді. Милнор осы көпқырлылықтың тек екі сындық нүктесі бар Морзе функциясы бар екенін көрсетті, олардың екеуі де дегенерацияланбаған, бұл оның топологиялық тұрғыдан сфера екенін білдіреді.
4 өлшемді экзотикалық сфералар мен Глюк бұрылыстары
4 өлшемде 4 сферада экзотикалық тегіс құрылымдардың бар-жоқтығы белгісіз. Олардың жоқ екендігі туралы мәлімдеме "тегіс Пуанкаре болжамы" деп аталады, және оны жалған деп санайтындар оны талқылайды. Экзотикалық 4 сфераларға үміткерлер ретінде Каппелл-Шенсон сфералары және Глюк бұрылыстары арқылы алынған сфералар ұсынылған. Глюк бұрылысы сфералары S4-тегі 2 сфераның түтікшелі аймағын кесіп алып, оның шекарасы S2×S1 дифеоморфизмін қолданып қайтадан жабыстыру арқылы құрастырылады. Нәтижесі әрқашан S4-ке гомеоморфты болады. Көп жылдар бойы көптеген жағдайлар тегіс 4 өлшемді Пуанкаре болжамына қарсы мысал ретінде қарастырылмайтын болып танылды. Мысалы, , , , , , , , .