Кіріспе
Математикалық кеңістікте "сағат тілімен" анықтамасының тұрақты болу мүмкіндігі. Математикада, бағдарлану – нақты векторлық кеңістіктер, Евклидтік кеңістіктер, беттер және жалпы алғанда, көптүрліліктер сияқты кейбір топологиялық кеңістіктердің "сағат тілімен" және "сағат тіліне қарсы" анықтамаларын тұрақты түрде беруге мүмкіндік беретін қасиеті. Егер мұндай тұрақты анықтама болса, кеңістік бағдарланады. Бұл жағдайда екі мүмкін анықтама бар, және олардың арасынан таңдау жасау – кеңістіктің бағдарлануы болып табылады. Нақты векторлық кеңістіктер, Евклидтік кеңістіктер және сфералар бағдарланады. Егер кеңістіктегі бірнеше циклдардан өткеннен кейін бастапқы нүқтеге оралғанда "сағат тілімен" бағыты "сағат тіліне қарсы" бағытқа өзгеретін болса, онда кеңістік бағдарланбайды. Яғни, геометриялық пішін, мысалы, осындай цикл бойымен үздіксіз қозғалғанда, өзінің көлеңкелік бейнесіне айналады. Мёбиус жолағы – бағдарланбайтын кеңістікке мысал. Бағдарланудың әртүрлі эквивалентті формулировкаларын қолдану мақсатына және жалпылау деңгейіне қарай беруге болады. Жалпы топологиялық көптүрліліктерге қолданылатын формулировкалар көбінесе гомология теориясының әдістерін пайдаланады, ал дифференциалданатын көптүрліліктерде көбірек құрылым бар, бұл дифференциалдық формалар арқылы формулировка жасауға мүмкіндік береді. Кеңістіктің бағдарлану ұғымының жалпылануы – басқа кеңістік (талшықты жиынтық) бойынша параметрленген кеңістіктер отбасының бағдарлануы, онда параметрлер мәндерінің өзгеруіне байланысты үнемі өзгеріп отыратын кеңістіктердің әрқайсысында бағдар таңдалуы керек.
In mathematics, orientability is a property of some topological spaces such as real vector spaces, Euclidean spaces, surfaces, and more generally manifolds that allows a consistent definition of "clockwise" and "anticlockwise". A space is orientable if such a consistent definition exists. In this case, there are two possible definitions, and a choice between them is an orientation of the space. Real vector spaces, Euclidean spaces, and spheres are orientable. A space is non orientable if "clockwise" is changed into "counterclockwise" after running through some loops in it, and coming back to the starting point. This means that a geometric shape, such as , that moves continuously along such a loop is changed into its own mirror image A Möbius strip is an example of a non orientable space. Various equivalent formulations of orientability can be given, depending on the desired application and level of generality. Formulations applicable to general topological manifolds often employ methods of homology theory, whereas for differentiable manifolds more structure is present, allowing a formulation in terms of differential forms. A generalization of the notion of orientability of a space is that of orientability of a family of spaces parameterized by some other space (a fiber bundle) for which an orientation must be selected in each of the spaces which varies continuously with respect to changes in the parameter values.
Бағытталатын беттер
Евклид кеңістігіндегі S бетінің бағытталуы, егер хиральды екі өлшемді фигураны (мысалы, ) бет бойымен жылдырып, бастапқы нүктесіне қайтарғанда, ол өзінің көлеңкесі сияқты көрінбесе, мүмкін. Әйтпесе, бет бағытталусыз болады. Абстракт бет (яғни, екі өлшемді манифольд) бағытталуы мүмкін, егер бетте сағат тілі бойынша айналу ұғымын үздіксіз түрде тұрақты анықтауға болады. Яғни, бетте бір бағытта айналатын контур ешқашан өзін-өзі қимай (жаппай) кері бағытта айналатын контурға үздіксіз түрде деформацияланбауы керек. Бұл, бетте Мёбиус жолағына гомеоморфты жиынның болмауына тең болып шығады. Осылайша, беттер үшін Мёбиус жолағын барлық бағытталусыздықтың бастауы деп қарастыруға болады. Бағытталуға болатын бет үшін "сағат тілі бойынша" (сағат тіліне қарсы) тұрақты таңдау бағдар деп аталады, ал бет бағдарланған бет деп аталады. Евклид кеңістігіне енгізілген беттер үшін бағдар, әр нүктеде үздіксіз өзгеретін n беттік нормальды таңдау арқылы анықталады. Егер мұндай нормаль болса, оны таңдаудың әрқашан екі жолы бар: n немесе -n. Жалпы алғанда, бағытталуға болатын бет дәл екі бағдарға ие, ал бағдарланған бет пен бағытталуға болатын бет арасындағы айырмашылық нәзік және көбінесе шатастырылады. Бағытталуға болатын бет – бағдарлануға болатын абстракт бет, ал бағдарланған бет – абстракт түрде бағдарлануға болатын және екі мүмкін бағдардың біреуін таңдаудың қосымша мәліметтері бар бет.
Мысалдар
Физикалық әлемде кездесетін беттердің көпшілігі бағдарланатын болады. Мысалы, шарлар, жазықтықтар және торлар бағдарланады. Бірақ Мёбиус жолақтары, нақты проекциялық жазықтықтар және Клейн бөтелкелері бағдарланбайды. Олардың барлығы 3 өлшемде бейнеленгенде, тек бір жағы бар болып көрінеді. Нақты проекциялық жазықтық пен Клейн бөтелкесі R3 кеңістігіне енбейді, тек жақсы қиылыстармен ғана суға батырылады. Бір жақты бетте жүрген қарапайым құмырсқа жақыннан қарағанда "екінші жағы" бар деп ойлайды. Бір жақтылықтың мәнісі – құмырсқа беттің бір жағынан "екінші жағына" беттен өтіп немесе жиегінен аударылып жатпай, тек жеткілікті қашықтыққа жүріп өте алады. Жалпы алғанда, бағдарлану қасиеті екі жақты болумен бірдей емес; алайда, бұл қоршаған кеңістік (мысалы, жоғарыдағы R3) бағдарланатын болғанда дұрыс. Мысалы, енгізілген тор бір жақты болуы мүмкін, ал сол кеңістіктегі Клейн бөтелкесі екі жақты болуы мүмкін; мұнда Клейн бөтелкесі туралы сөз болып отыр.
can be one sided, and a Klein bottle in the same space can be two sided; here refers to the Klein bottle.
Үшбұрыштылық бағыттау
Кез келген беттің үшбұрыштау бар: үшбұрыштарға жіктеу, яғни үшбұрыштың әр қабырғасы ең көп дегенде бір басқа қабырғаға біріктіріледі. Әрбір үшбұрыш үшбұрыштың периметрі бойынша бағыт таңдау арқылы бағдарланады, осы арқылы үшбұрыштың әр қабырғасына бағыт беріледі. Егер бұл осылай істелсе, біріктірілгенде көршілес қабырғалар қарама-қарсы бағытта көрсетілсе, онда бұл беттің бағдарын анықтайды. Мұндай таңдау бет бағдарланатын болса ғана мүмкін, және осы жағдайда дәл екі түрлі бағдар бар. Егер фигураны беттің барлық нүктелерінде айналдырмай тұрақты түрде орналастыруға болады, онда бұл үшбұрыштың ішіндегі кез келген фигураның қызыл, жасыл, көк түстерінің ретіне сәйкес әрбір үшбұрыштың бағытын таңдау арқылы жоғарыдағы мағынада үшбұрыштардың әрқайсысын бағдарлайды. Бұл тәсіл триангуляциясы бар кез келген n-өлшемді кеңістікке жалпыланады. Дегенмен, кейбір 4-өлшемді кеңістіктерде триангуляция болмайды, ал жалпы жағдайда n > 4 үшін кейбір n-өлшемді кеңістіктерде тең емес триангуляциялар болады.
Бағытталу және гомология
Егер H1(S) S бетінің бірінші гомология тобын білдірсе, онда S бағытталғандығы H1(S) тривиальды торсиялық кіші топқа ие болған жағдайда ғана орындалады. Нақтырақ айтқанда, егер S бағытталған болса, онда H1(S) — еркін абельдік топ, ал егер бағытталмаған болса, онда H1(S) = F + Z/2Z, мұнда F — еркін абельдік, ал Z/2Z факторы S бетіне ендірілген Мёбиус жолағындағы орталық қисықпен туындайды.
Манифелдердің бағыттылығы
M – жалғасқан топологиялық n көптік болсын. M-нің бағытталғандығын анықтау үшін бірнеше мүмкін анықтамалар бар. Осы анықтамалардың кейбіреулері M-ге қосымша құрылымның болуын талап етеді, мысалы, дифференциалдану қасиеті. Кейде 1=n = 0 жағдайы ерекше қарастырылуы керек. Егер M-ге бірнеше анықтама қолданылса, онда M бір анықтама бойынша бағытталған болса, мінезді басқа анықтамалар бойынша да бағытталған болады, және керісінше.
Дифференциалдандырылатын коллекторлардың бағыттылығы
Ең интуитивті анықтамалар M дифференциалданатын көптік болуын қажет етеді. Бұл, M атласындағы өту функциялары C1 функциялары екенін білдіреді. Мұндай функция Якобиан детерминантына ие. Якобиан детерминанты оң болса, өту функциясы бағдарды сақтайтын деп айтылады. M-дегі бағдарланған атлас – барлық өту функциялары бағдарды сақтайтын атлас. M бағдарланған атласқа ие болса, онда M бағдарланады. n > 0 болғанда, M-нің бағдары – ең үлкен бағдарланған атлас. (Егер n = 0 болса, M-нің бағдары M → {±1} функциясы болып табылады.) Бағдарлану және бағдарлар да жанама бундель арқылы өрнектеле алады. Жанама бундель – векторлық бундель, сондықтан ол GL(n, ℝ) құрылымдық тобы бар талшықтық бундель. Яғни, көптіктің өту функциялары жанама бундельдегі өту функцияларын тудырады, олар талшық бойынша сызықтық түрлендірулер болып табылады. Егер құрылымдық топ оң детерминантты матрицалардың GL⁺(n, ℝ) тобына дейін қысқартыла алса, немесе эквивалентті түрде, егер өту функциялары әр жанама кеңістікте бағдарды сақтайтын сызықтық түрлендіруді анықтайтын атлас болса, онда M көптігі бағдарланады. Керісінше, M бағдарланады, егер және тек қана жанама бундельдің құрылымдық тобы осылайша қысқартыла алса. Рамкалық бундель үшін де ұқсас тұжырымдар жасауға болады. Дифференциалданатын көптіктің бағдарын анықтаудың тағы бір жолы – көлемдік формалар арқылы. Көлемдік форма – M-нің котангенс бунделинің жоғарғы сыртқы қуаты ω-ның еш жерде жоғалып кетпейтін қимасы. Мысалы, ℝⁿ стандартты көлемдік формаға dx¹ ∧ … ∧ dxⁿ ие. M-де көлемдік форма берілген болса, стандартты көлемдік форма ω-ға оң еселікке дейін кері тартылатын барлық U → ℝⁿ диаграммаларының жиынтығы бағдарланған атлас болып табылады. Сондықтан көлемдік форманың болуы көптіктің бағдарлануына тең. Көлемдік формалар мен жанама векторларды біріктіре отырып, бағдарлануды сипаттаудың тағы бір жолын алуға болады. Егер X₁, …, Xₙ нүктеде p жанама векторлардың негізін құраса, онда негіз оң жақты деп аталады, егер ω(X₁, …, Xₙ) > 0 болса. Өту функциясы бағдарды сақтайды, егер және тек қана ол оң жақты негіздерді оң жақты негіздерге жіберсе. Көлемдік форманың болуы жанама бундельдің немесе рамкалық бундельдің құрылымдық тобының GL⁺(n, ℝ) дейін қысқаруын білдіреді. Бұрынғыдай, бұл M-нің бағдарлануын білдіреді. Керісінше, егер M бағдарланса, онда жергілікті көлемдік формаларды біріктіре отырып, жаһандық көлемдік форманы құруға болады, бағдарлану жаһандық форманың еш жерде жоғалып кетпеуін қамтамасыз ету үшін қажет.
Гомология және жалпы коллекторлардың бағытталуы
Барлық жоғарыда келтірілген дифференциалданатын көпқырлылықтың бағытталу анықтамаларының негізінде бағытты сақтайтын өту функциясы жатыр. Бұл осындай өту функциялары немен байланысты деген сұрақты тудырады. Олар көпқырлылықтың бағытын сақтай алмайды, себебі көпқырлылықтың бағыты – атлас, ал өту функциясы оның құрамы болып табылатын атласты сақтайды немесе сақтамайды деудің қажеті жоқ. Бұл мәселені жергілікті бағыттарды анықтау арқылы шешуге болады. Бір өлшемді көпқырлылықта p нүктесінің маңындағы жергілікті бағыт сол нүктеге жақын сол және оң жаққа қарай бағытты таңдауға сәйкес келеді. Екі өлшемді көпқырлылықта ол сағат тілі бойынша және сағат тіліне қарсы бағытты таңдауға сәйкес келеді. Бұл екі жағдайдың ортақ ерекшелігі – олар p нүктесіне жақын, бірақ p нүктесінде емес, жоғары өлшемді мінез-құлқымен сипатталады. Енді жалпы жағдайды қарастырайық, M – топологиялық n көпқырлылық болсын. M-нің p нүктесі маңындағы жергілікті бағыты – бұл топтың генераторын таңдау. Бұл топтың геометриялық мағынасын түсіну үшін p нүктесі маңындағы кескінді таңдаңыз. Бұл кескінде p нүктесінің маңындағы ашық шар B, бастауыш O нүктесінде орналасқан. Эксизия теоремасы бойынша, B шарсы жиырылатын, сондықтан оның гомологиялық топтары тек нөлдік дәрежеде ғана нөлдік болады, ал B \ O кеңістігі (n − 1) сфера болып табылады, сондықтан оның гомологиялық топтары тек n − 1 және 0 дәрежелерде ғана нөлдік болады. Салыстырмалы гомологиядағы ұзын толық тізбек есебінен жоғарыда аталған гомологиялық топ генератордың таңдауына изоморфты екені көрінеді. Сондықтан, берілген кескінде p нүктесі маңындағы сфераның оң немесе теріс бағытталуын анықтау қажет. 'R'^(n) кеңістігінің бастауыш арқылы жасалған бейнелеуі , кеңістігіне теріс әсер етеді, сондықтан генераторды таңдаудың геометриялық мағынасы – кескіндерді олардың бейнелеуінен ажырату болып табылады. Топологиялық көпқырлылықта өту функциясы бағытты сақтайтын болады, егер оның доменіндегі әрбір p нүктесінде ол генераторларды бекітсе. Осыдан бастап, тиісті анықтамалар дифференциалданатын жағдайдағыдай болады. Бағытталған атлас – барлық өту функциялары бағытты сақтайтын атлас, M бағытталған атласқа ие болса бағытталатын, ал n > 0 болғанда M-нің бағыты – ең жоғары бағытталған атлас. Интуитивті түрде, M-нің бағыты әрбір нүктеде M-нің бірегей жергілікті бағытын анықтауы керек. Бұл p нүктесі маңындағы бағытталған атластағы кез келген кескінді p нүктесі маңындағы сфераны анықтау үшін пайдалануға болатынын атап өту арқылы нақтыланады, ал бұл сфера генераторды анықтайды. Сонымен қатар, p нүктесі маңындағы кез келген басқа кескіндер бірінші кескіндермен бағытты сақтайтын өту функциясымен байланысты, бұл екі кескіндердің бірдей генераторды беретінін білдіреді, сондықтан генератор бірегей. Таза гомологиялық анықтамалар да мүмкін. Егер M жабық және байланысқан болса, M бағытталатындығы және тек ғана n-ші гомологиялық топ Z бүтін сандарына изоморфты болса ғана анықталады. M-нің бағыты – осы топтың α генераторын таңдау. Бұл генератор шексіз циклдік топтың генераторын бекіту арқылы бағытталған атласты анықтайды және бағытталған кескіндерді α тұрақты генераторға қарай итеруге болатындай етіп таңдайды. Керісінше, бағытталған атлас осындай генераторды анықтайды, себебі үйлесімді жергілікті бағыттар гомологиялық топтың генераторын беру үшін біріктірілуі мүмкін.
To see the geometric significance of this group, choose a chart around p. In that chart there is a neighborhood of p which is an open ball B around the origin O. By the excision theorem, is isomorphic to The ball B is contractible, so its homology groups vanish except in degree zero, and the space B \ O is an (n − 1) sphere, so its homology groups vanish except in degrees n − 1 and 0. A computation with the long exact sequence in relative homology shows that the above homology group is isomorphic to A choice of generator therefore corresponds to a decision of whether, in the given chart, a sphere around p is positive or negative. A reflection of 'R'^(n) through the origin acts by negation on , so the geometric significance of the choice of generator is that it distinguishes charts from their reflections. On a topological manifold, a transition function is orientation preserving if, at each point p in its domain, it fixes the generators of From here, the relevant definitions are the same as in the differentiable case. An oriented atlas is one for which all transition functions are orientation preserving, M is orientable if it admits an oriented atlas, and when n > 0, an orientation of M is a maximal oriented atlas. Intuitively, an orientation of M ought to define a unique local orientation of M at each point. This is made precise by noting that any chart in the oriented atlas around p can be used to determine a sphere around p, and this sphere determines a generator of Moreover, any other chart around p is related to the first chart by an orientation preserving transition function, and this implies that the two charts yield the same generator, whence the generator is unique. Purely homological definitions are also possible. Assuming that M is closed and connected, M is orientable if and only if the nth homology group is isomorphic to the integers Z. An orientation of M is a choice of generator α of this group. This generator determines an oriented atlas by fixing a generator of the infinite cyclic group and taking the oriented charts to be those for which α pushes forward to the fixed generator. Conversely, an oriented atlas determines such a generator as compatible local orientations can be glued together to give a generator for the homology group .
Бағдарлау және кохомология
M көптігі егер және ғана бірінші Stiefel–Whitney класы нөлге тең болса, бағытталады. Атап айтқанда, егер Z/2 коэффициенттерімен бірінші когомология тобы нөл болса, онда көптік бағытталады. Сонымен қатар, егер M бағытталған және w1 нөлге тең болса, онда ол бағыттарды таңдауды параметризациялайды. Ориентацияланудың бұл сипаттамасы жалпы векторлық бундельдердің M-ге бағытталғандығына да, тек тангенциалды бундельге ғана емес, қолданылады.
Бағдарлау қос қақпағы
M-нің әрбір нүктесінің маңында екі жергілікті бағдар бар. Интуитивті түрде, p нүктесіндегі жергілікті бағдардан p′ жақын нүктедегі жергілікті бағдарға өтуге болады: егер екі нүкте бірдей координаттық кескіндемеде U → 'R'^n жатса, онда бұл кескіндеме p және p′ нүктелерінде үйлесімді жергілікті бағдарларды анықтайды. Сондықтан жергілікті бағдарлар жиынына топологиялық құрылым беруге болады, және бұл топологиялық құрылым оны көптікке айналдырады. Нақтырақ айтқанда, O – M-нің барлық жергілікті бағдарларының жиынтығы болсын. O-ны топологиялық құрылыммен жабдықтау үшін оның топологиясы үшін суббазаны анықтаймыз. U – Z-ге изоморфты болатын M-нің ашық ішкі жиыны болсын. α осы топтың генераторы деп есептейік. U-дағы әр p үшін иірілу функциясы бар. Бұл топтың кодоменасында екі генератор бар, ал α олардың біріне бейімделеді. O-дағы топология осы жиынның ашық екенін анықтайды. π : O → M канондық бейнелеуі бар, ол p нүктесіндегі жергілікті бағдарды p нүктесіне жібереді. M-нің әрбір нүктесінің π бойынша дәл екі кері бейнесі бар екені анық. Шындығында, π тіпті жергілікті гомеоморфизм болып табылады, өйткені жоғарыда аталған U ашық жиындарының кері бейнелері U-нің екі көшірмесінің біріктірілмеген қосындысына гомеоморфты. Егер M бағытталуға жарамды болса, онда M өзі осы ашық жиындардың бірі, сондықтан O – M-нің екі көшірмесінің біріктірілмеген қосындысы. Егер M бағытталуға жарамсыз болса, онда O – байланысты және бағытталуға жарамды. O көптігі екі жақты бағытпен жабылатын деп аталады.
is open. There is a canonical map π : O → M that sends a local orientation at p to p. It is clear that every point of M has precisely two preimages under π. In fact, π is even a local homeomorphism, because the preimages of the open sets U mentioned above are homeomorphic to the disjoint union of two copies of U. If M is orientable, then M itself is one of these open sets, so O is the disjoint union of two copies of M. If M is non orientable, however, then O is connected and orientable. The manifold O is called the orientation double cover.
Шекарасы бар манифолдар
Егер M шекарасы бар көптік болса, онда M-нің бағдары оның ішкі бөлігінің бағдары ретінде анықталады. Мұндай бағдар ∂M-нің бағдарлануын тудырады. Шындығында, M-нің бағдары белгіленген деп есептейік. U → 'R'^(n)+, M-нің шекаралық нүктесіндегі, ал ішкі бөлігімен шектелгенде таңдалған бағдарланған атласта орналасқан кескін болсын. Бұл кескіннің ∂M-ге шектелуі ∂M-нің кескіні болып табылады. Мұндай кескіндер ∂M үшін бағдарланған атлас құрайды. M тегіс болған жағдайда, ∂M-нің әрбір нүктесінде M-нің тангенциалдық бунделинің шектеуі Tp∂M ⊕ 'R'-ге изоморфты болады, мұнда R факторы ішке қарай бағытталған нормаль вектормен сипатталады. Tp∂M-нің бағдары, егер және тек қана Tp∂M-нің негізі оң бағытталған болса, ол ішке қарай бағытталған нормаль вектормен біріктірілгенде TpM-нің оң бағытталған негізін анықтайды деген шартпен анықталады.
Бағытталатын қос қақпақ
Бұл ұғымға тығыз байланысты кеңістікті жабу идеясы қолданылады. М жалғасқан көпқырлы үшін M, (x, o) жұптар жиынынан бастайық, мұнда x – M нүктесі, ал o – x нүктесіндегі бағдар; мұнда біз M тегіс деп есептейміз, сондықтан нүктедегі жанама кеңістікте бағдарды таңдай аламыз немесе бағдарды анықтау үшін ерекше гомологияны қолданамыз. Содан кейін M-нің әрбір ашық, бағдарланған ішкі жиыны үшін сәйкес жұптар жиынын қарастырамыз және оны M-нің ашық жиыны деп анықтаймыз. Бұл M-ге топология береді және (x, o) нүктесін x-ке бейнелейтін проекция 2:1 жабу картасы болады. Бұл жабу кеңістігі бағытталған екі еселі жабу деп аталады, себебі ол бағытталған. M жалғасқан болады, егер және тек қана M бағытталмаса. Бұл жабуды құрудың тағы бір жолы – бастық нүктедегі циклдарды бағдарды сақтаушы немесе бағдарды өзгертуші циклдарға бөлу. Бағдарды сақтаушы циклдар негізгі топтың кіші тобын құрайды, бұл кіші топтың индексі екіге тең немесе кіші топтың өзі бүкіл топқа тең болуы мүмкін. Соңғы жағдайда (яғни бағдарды өзгертуші жол бар болса), кіші топ жалғасқан екі еселі жабуға сәйкес келеді; мұндай жабу құрылымы бойынша бағытталған болады. Алғашқы жағдайда, әрқайсысы әртүрлі бағдарға сәйкес келетін M-нің екі көшірмесін алуға болады.
Векторлық бульдондардың бағыты
Нақты векторлық бундель, априори ГЛ(n) құрылым тобымен, егер құрылым тобы оң детерминанты бар матрицалар тобына дейін қысқартылуы мүмкін болса, бағытталған деп аталады. Тангенттік бундель үшін, бұл қысқарту негізгі базалық манифольд бағытталған болса, әрқашан мүмкін болады, және бұл тегіс нақты манифольдтың бағытталғандығын анықтаудың ыңғайлы тәсілін ұсынады: тегіс манифольд, оның тангенттік бунделі бағытталған (векторлық бундель ретінде) болса, бағытталған болып анықталады. Тангенттік бундель өзі жеке манифольд ретінде, тіпті бағытталмаған манифольдтардың үстінде де әрқашан бағытталған болады.