Кіріспе
Геометриялық топологиядағы теорема Геометриялық топологияның математикалық саласында Пуанкаре болжамы (/UK/'/p//w//æ̃//k//ær//eɪ/, /US/, /p//w//æ̃//k//ɑː/'/r//eɪ/, pwɛ̃kaʁe) — 3 сфераның сипаттамасы туралы теорема, ол төрт өлшемді кеңістіктегі бірлік шарды шектеуші гиперсфера болып табылады. 1904 жылы Анри Пуанкаре ұсынған бұл теорема, жергілікті түрде қалыпты үш өлшемді кеңістікке ұқсас, бірақ шекті мөлшердегі кеңістіктерге қатысты. Пуанкаре, егер мұндай кеңістіктегі кез келген контур үздіріссіз түрде бір нүктеге дейін қысылса, онда ол міндетті түрде үш өлшемді сфера болады деп болжады. Бұл болжамды шешуге жасалған әрекеттер 20 ғасырда геометриялық топология саласында үлкен прогреске әкелді. Ақырындағы дәлелдеме Ричард С. Гамильтонның Риччи ағынын қолданып мәселені шешу жобасына негізделген. Риччи ағыны теориясындағы бірқатар жаңа әдістер мен нәтижелерді әзірлеу арқылы Григорий Перельман Гамильтонның жобасын жетілдіріп, аяқтады. 2002 және 2003 жылдары arXiv репозиторийіне жарияланған мақалаларында Перельман Пуанкаре болжамын (және Уильям Терстонның геометрияландыру болжамын) дәлелдеген жұмысын ұсынды. Келесі бірнеше жылдар бойында бірнеше математиктер оның еңбектерін зерттеп, оның жұмысының толыққанды тұжырымдамаларын жасады. Гамильтон мен Перельманның бұл болжам бойынша жұмысы математикалық зерттеулердегі маңызды кезең ретінде танылды. Гамильтон Шоу сыйлығымен және зерттеу саласына елеулі үлес қосқаны үшін Леррой П. Стил сыйлығымен марапатталды. 2006 жылы "Science" журналы Перельманның Пуанкаре болжамын дәлелдеуін «Жылдың ғылыми жетістігі» деп жариялады. Клей математикалық институты Пуанкаре болжамын өзінің танымал Мыңжылдық сыйлық мәселелері тізіміне қосып, болжамды шешуі үшін Перельманға 1 миллион АҚШ доллары сыйлық ұсынды. Ол Гамильтонның үлесі өзінікімен тең екенін айтып, сыйлықтан бас тартты.
In the mathematical field of geometric topology, the Poincaré conjecture (/UK/'/p//w//æ̃//k//ær//eɪ/, /US/,/p//w//æ̃//k//ɑː/'/r//eɪ/, pwɛ̃kaʁe) is a theorem about the characterization of the 3 sphere, which is the hypersphere that bounds the unit ball in four dimensional space. Originally conjectured by Henri Poincaré in 1904, the theorem concerns spaces that locally look like ordinary three dimensional space but which are finite in extent. Poincaré hypothesized that if such a space has the additional property that each loop in the space can be continuously tightened to a point, then it is necessarily a three dimensional sphere. Attempts to resolve the conjecture drove much progress in the field of geometric topology during the 20th century. The eventual proof built upon Richard S. Hamilton's program of using the Ricci flow to solve the problem. By developing a number of new techniques and results in the theory of Ricci flow, Grigori Perelman was able to modify and complete Hamilton's program. In papers posted to the arXiv repository in 2002 and 2003, Perelman presented his work proving the Poincaré conjecture (and the more powerful geometrization conjecture of William Thurston). Over the next several years, several mathematicians studied his papers and produced detailed formulations of his work. Hamilton and Perelman's work on the conjecture is widely recognized as a milestone of mathematical research. Hamilton was recognized with the Shaw Prize and the Leroy P. Steele Prize for Seminal Contribution to Research. The journal Science marked Perelman's proof of the Poincaré conjecture as the scientific Breakthrough of the Year in 2006. The Clay Mathematics Institute, having included the Poincaré conjecture in their well known Millennium Prize Problem list, offered Perelman their prize of US$1 million for the conjecture's resolution. He declined the award, saying that Hamilton's contribution had been equal to his own.
Шолу
Пуанкаре болжамы геометриялық топология саласындағы математикалық мәселе болды. Бұл саланың терминологиясы бойынша, ол былай тұжырымдалады: Пуанкаре болжамы. Жабық, байланысқан және тривиальды негізгі тобы бар кез келген үш өлшемді топологиялық көптік үш өлшемді сфераға гомеоморфты болады. Мысалы, шардың беті (математикада екі өлшемді сфера деп белгілі) немесе тор сияқты таныс нысандар екі өлшемді болып табылады. Шардың бетінде тривиальды негізгі топ бар, яғни оның бетінде салынған кез келген контур үздіксіз түрде бір нүктеге дейін деформацияланады. Керісінше, тордың бетінде тривиальды емес негізгі топ бар, себебі оның бетінде деформациялана алмайтын контурлар бар. Екеуі де жабық (шекарасы жоқ және кеңістікте шекті аймақты алып жатады) және байланысқан (бір бөліктен тұрады) топологиялық көптүрліліктер. Егер бір көптіктің нүктелерін екіншісіне үздіксіз түрде қайта орналастыруға болады, онда екі жабық көптік гомеоморфты деп есептеледі. Негізгі топтың тривиальдылығы немесе тривиальды еместігі гомеоморфизмде өзгермейтін қасиет болғандықтан, екі өлшемді сфера мен тор гомеоморфты емес. Пуанкаре болжамының екі өлшемді аналогы былай тұжырымдайды: егер екі өлшемді топологиялық көптік жабық және байланысқан болса, бірақ екі өлшемді сфераға гомеоморфты болмаса, онда оның құрамында бір нүктеге үздіксіз түрде қысқартыла алмайтын контур болуы керек. (Бұл, мысалы, тор арқылы көрсетілгендей.) Бұл аналогтың дұрыстығы 1860 жылдардан бері әртүрлі түсіндірілген жабық және байланысқан екі өлшемді топологиялық көптүрліліктердің жіктелуі арқылы белгілі. Жоғары өлшемдерде жабық және байланысқан топологиялық көптүрліліктердің тікелей жіктелуі жоқ, бұл Пуанкаре болжамын оңай шешуге кедергі келтіреді.
Poincaré conjecture. Every three dimensional topological manifold which is closed, connected, and has trivial fundamental group is homeomorphic to the three dimensional sphere. Familiar shapes, such as the surface of a ball (which is known in mathematics as the two dimensional sphere) or of a torus, are two dimensional. The surface of a ball has trivial fundamental group, meaning that any loop drawn on the surface can be continuously deformed to a single point. By contrast, the surface of a torus has nontrivial fundamental group, as there are loops on the surface which cannot be so deformed. Both are topological manifolds which are closed (meaning that they have no boundary and take up a finite region of space) and connected (meaning that they consist of a single piece). Two closed manifolds are said to be homeomorphic when it is possible for the points of one to be reallocated to the other in a continuous way. Because the (non)triviality of the fundamental group is known to be invariant under homeomorphism, it follows that the two dimensional sphere and torus are not homeomorphic. The two dimensional analogue of the Poincaré conjecture says that any two dimensional topological manifold which is closed and connected but non homeomorphic to the two dimensional sphere must possess a loop which cannot be continuously contracted to a point. (This is illustrated by the example of the torus, as above.) This analogue is known to be true via the classification of closed and connected two dimensional topological manifolds, which was understood in various forms since the 1860s. In higher dimensions, the closed and connected topological manifolds do not have a straightforward classification, precluding an easy resolution of the Poincaré conjecture.
Понкаре сұрағы
1800-ші жылдары Бернхард Риман және Энрико Бетти көпқырлылықтардың топологиялық инварианттарын зерттеуді бастады. Олар кез келген көпқырлылыққа теріс емес бүтін сандардың тізімін байланыстыратын Бетти сандарын енгізді. Риман екі өлшемді жабық байланысты көпқырлылықтың оның Бетти сандарымен толық сипатталатынын көрсетті. 1895 жылғы «Analysis Situs» (талдау орны) атты мақаласының (1892 жылы жарияланған) бір бөлігі ретінде Пуанкаре Риманның нәтижесі жоғары өлшемдерге қолданылмайтынын көрсетті. Ол үшін ол түбірлік топты жаңа топологиялық инвариант ретінде енгізді және Бетти сандары бірдей, бірақ түбірлік топтары әртүрлі үш өлшемді көпқырлылықтардың мысалдарын көрсетті. Ол түбірлік топтың берілген өлшемдегі көпқырлылықты топологиялық тұрғыдан сипаттауға жеткілікті ме деген сұрақ қойды, бірақ ол жауап іздеуге тырыспады, тек «ұзақ және қиын зерттеуді қажет етеді» деді. Пуанкаренің мақаласының басты мақсаты – оның жаңадан енгізген гомологиялық топтары тұрғысынан Бетти сандарын түсіндіру, сонымен қатар Бетти сандарының симметриясы туралы Пуанкаренің дуалдық теоремасын келтіру болды. Оның аргументтерінің толықтығына сын айтылғаннан кейін, ол өз жұмысын жетілдіру және түзету үшін бірнеше «қосымшалар» шығарды. 1900 жылы жарияланған екінші қосымшасының соңғы ойы: сфераның гомологиясы бар жабық, байланысты, бағытталған көпқырлылық сфераға гомеоморфты болуы керек. Пуанкаре түбірлік топтың тривиальдығы сфераны бірегей түрде сипаттай ма деп сұрады. Осы себепті Пуанкаренің сұрақтарын бірмәнді түсіну мүмкін емес. Тек кейінгі математиктер дамытқан топологияның формализмі мен терминологиясы арқылы ғана Пуанкаренің соңғы сұрағы алдыңғы бөлімде айтылған «Пуанкаре болжамы» ретінде түсінілді. Алайда, оның әдеттегі тұжырымдамасы болжам түрінде болғанымен, белгілі бір типтегі барлық көпқырлылықтардың сфераға гомеоморфты екенін ұсынатын Пуанкаре тек ашық сұрақ қойды, ешқандай жаққа қарай болжам жасауға батыл болмады. Сонымен қатар, оның сұрағына қандай жауап берілетініне сенгеніне ешқандай дәлел жоқ. Бинг сондай-ақ Пуанкаре болжамын дәлелдеуге тырысудың кейбір қиындықтарын сипаттады. Влодзимеж Якобше 1978 жылы көрсеткендей, егер Бинг-Борсук болжамы 3-өлшемде дұрыс болса, онда Пуанкаре болжамы да дұрыс болуы керек. Уақыт өте келе бұл болжамды шешудің өте қиын екені белгілі болды. Джон Милнор кейде жалған дәлелдердегі қателіктердің «өте нәзік және анықтау қиын» болатынын айтты. Болжам бойынша жұмыс жүргізу 3-өлшемді көпқырлылықтарды түсінуді жақсартты. Бұл саланың сарапшылары дәлелдерді жариялауға көбінесе тартынды және кез келген жариялауға күмәнмен қарады. 1980-ші және 1990-шы жылдарда бірнеше жалған дәлелдер жарияланды (бірақ олар пікірсайысқа түскен рецензияланған формада жарияланбады). Бұл болжамды дәлелдеуге жасалған тырастың сипаттамасын Джордж Шпироның «Пуанкаре сыйлығы» атты ғылыми емес кітабынан табуға болады.
Өлшемі
Жабық беттердің жіктелуі екі өлшемдегі ұқсас сұраққа оң жауап береді. Үштен жоғары өлшемдер үшін жалпыланған Пуанкаре болжамын қоюға болады: гомотопиялық n сферасы n сферасына гомеоморфты ма? Жақсы байланысты болудан гөрі күшті талап қажет; төртінші өлшемде және одан жоғарыда жай ғана байланысқан, жабық көптүрліліктер бар, олар n сферасына гомотопиялық тең емес. Тарихи тұрғыдан алғанда, үш өлшемдегі болжам мүмкін көрінгенмен, жалпыланған болжам жалған деп есептелді. 1961 жылы Стивен Смел төрттен жоғары өлшемдер үшін жалпыланған Пуанкаре болжамын дәлелдеу арқылы математиктерді таң қалдырды және өзінің әдістерін негізгі h-кобордизм теоремасын дәлелдеу үшін кеңейтті. 1982 жылы Майкл Фридман төртінші өлшемде Пуанкаре болжамын дәлелдеді. Фридманның жұмысы төрт сфераға гомеоморфты, бірақ төрт сфераға диффеоморфты емес төрттік көптүрлілік болуы мүмкін екенін ашық қалдырды. Бұл төртінші өлшемдегі «тегіс Пуанкаре» болжамы ашық күйде қалып, өте қиын деп саналады. Мысалы, Милнордың экзотикалық сфералары жетінші өлшемде тегіс Пуанкаре болжамының жалған екенін көрсетеді. Жоғары өлшемдердегі осы ерте жетістіктер үш өлшемді жағдайды белгісіздікте қалдырды. Пуанкаре болжамы төртінші өлшемде де, одан жоғары өлшемдерде де әртүрлі себептермен негізінен дұрыс болды. Үшінші өлшемде болжам геометриялық болжамның барлық 3-көптүрлілікті басқаратын аясына енгізілгенге дейін нақты емес беделге ие болды. Джон Морган былай деп жазды: