microbik.ru
1

МОУ «Сугутская средняя общеобразовательная школа»

Батыревского района





Работа ученицы 7 класса

Сугутсой СОШ

Черновой Анны Николаевны

Руководитель

Егорова Мария Федоровна


с. Сугуты - 2007


Цель работы: У каждого из нас есть интуитивное представление о том, что такое «поверхность». Поверхность листа бумаги, поверхность стен класса, поверхность земного шара известны всем. Может ли быть что- нибудь неожиданное и даже таинственное в таком обычном понятии? Пример листа Мёбиуса показывает, что может.


План.

1. Что такое лист Мёбиуса?

2.Великий математик- астроном А.Ф.Мёбиус.

3.Подобные объекты.

4.Как сделать лист Мёбиуса.

5. Сколько сторон у листа Мёбиуса?

6. Солдатик- перевертыш.

7. Эксперименты.




Что такое лист Мёбиуса?

Лист Мёбиуса (другое название — Лента Мёбиуса) — топологический объект, простейшая односторонняя поверхность с краем. Попасть из одной точки этой поверхности в любую другую можно, не пересекая края. Лента Мёбиуса была обнаружена независимо немецкими математиками Августом Фердинандом Мёбиусом и Иоганном Бенедиктом Листингом в 1858г. Модель ленты Мёбиуса может легко быть сделана. Для этого надо взять достаточно вытянутую бумажную полоску и соединить концы полоски, предварительно перевернув один из них. В евклидовом пространстве существуют два типа полос Мёбиуса в зависимости от направления закручивания: правые и левые. Лист Мёбиуса иногда называют прародителем символа бесконечности , так как находясь на поверхности ленты Мёбиуса, можно было бы идти по ней вечно. Это не соответствует действительности, так как символ использовался для обозначения бесконечности в течение двух столетий до открытия ленты Мёбиуса. (см. символ бесконечности) С точки зрения топологии баранка и кружка одно и то же. Сжимая и растягивая кусок резины, можно перейти от одного из этих тел ко второму. А вот баранка и шар - разные объекты: чтобы сделать отверстие, надо разорвать резину.

Топология необходима математикам почти всем специальностей, она весьма красива, ее методы по сравнению с другими дают одновременно более общие, более сильные и более простые теоремы.

Лист Мёбиуса очень легко сделать, подержать в руках, разрезать, проэкспериментировать как-нибудь еще. Изучение листа Мёбиуса - хорошее введение к элементам топологии: теореме Эйлера, раскраскам, универсальности, представлению о непрерывных отображениях.

Мёбиус .

Таинственный и знаменитый лист Мёбиуса (иногда говорят : лента Мёбиуса) придумал в1858г. немецкий геометр Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868), ученик «короля математиков» Гаусса. Мёбиус был первоначально астрономом, как Гаусс и многие другие из тех, кому математика обязана своим развитием. В те времена занятия математикой не встречали поддержки, а астрономия давала достаточно денег, чтобы не думать о них, и оставляла время для собственных размышлений. И Мёбиус стал одним из крупнейших геометров Х1Х в. В возрасте 68 лет ему удалось сделать открытие поразительной красоты. Это открытие односторонних поверхностей, одна из которых – лист Мёбиуса.


^ Подобные объекты.

Близким «странным» геометрическим объектом является бутылка Клейна. Бутылка Клейна может быть получена путем склеивания двух лент Мёбиуса по краям. В обычном трехмерном евклидовом пространстве сделать это, не создавая самопересечения, невозможно.

Другое похожее множество — вещественная проективная плоскость. Если проколоть отверстие в вещественной проективной плоскости, тогда то что останется будет листом Мёбиуса. С другой стороны, если приклеить диск к ленте Мёбиуса, совмещая их границы, то результатом будет проективная плоскость. Чтобы визуализировать это, полезно деформировать ленту Мёбиуса так, чтобы ее граница стала обычным кругом. Такую фигуру называют «пересеченная крышка» (пересеченная крышка может также означать ту же фигуру с приклееным диском, то есть погружение проективной плоскости в R3).

Существует распространённое заблуждение, что пересеченная крышка не может быть сформирована в трёх измерениях без самопересекающейся поверхности. На самом деле возможно поместить ленту Мёбиуса в R3 с границей, являющейся идеальным кругом. Идея состоит в следующем — пусть C будет единичным кругом в плоскости xy в R3. Соединив антиподные точки на C, то есть, точки под углами θ и θ + π дугой круга, получим, что для θ между 0 и π / 2 дуги лежат выше плоскости xy, а для других θ ниже (причём в двух местах дуги лежат в плоскости xy).

Можно заметить, что если диск приклеивается к граничной окружности, то самопересечение получающейся проективной плоскости неизбежно в трехмерном пространстве. В терминах задания сторон квадрата, как было показано выше, вещественная проективная плоскость получается склеиванием двух оставшихся сторон с 'сохранением' ориентации.

^ Как сделать лист Мёбиуса.

Берем бумажную ленту АВСД, разделенную по ширине пополам пунктирной линией (см .рис.) прикладываем ее концы АВ и СД друг к другу и склеиваем. Но не как попало, а так, чтобы точка А совпала с точкой Д, а точка В - с точкой С. Перед склейкой мы перекручиваем ленту один раз. Получилось знаменитое в математике бумажное кольцо. У него даже есть особое название - лист МЁБИУСА. А теперь мы режем ножницами склеенную ленту посредине, вдоль пунктирной линии. Конечно, если бы не перекрутили ленту, перед склейкой, все было бы просто: из одного широкого кольца получилось бы два узких. А что сейчас?


А С


--------------------------------------------------------------



В Д

^ Сколько сторон у листа Мёбиуса?

У ленты, из которой сделан лист Мёбиуса, имеются две стороны. А у него самого, оказывается только одна сторона!

Попробуем закрасить лист Мёбиуса- кусок за куском, не переходя через край ленты. И что же? Вы закрасите весь лист Мёбиуса! « если кто- нибудь вздумает раскрасить «только одну » строну поверхности мёбиусовой ленты, пусть лучше сразу погрузит ее в ведро с краской»,- пишут Рихард Курант и Герберт Роббинс в превосходной книге « Что такое математика».

Если на внутреннюю сторону обычного кольца посадить паука, а на наружную - муху и разрешить им ползать как угодно, запретив лишь перелезать через края кольца, то паук не сможет добраться до мухи. А если их обоих посадить на лист Мёбиуса, то бедная муха будет съедена, если конечно, паук ползает быстрее.


^ Солдатик - перевертыш.

Я вырезала бумажного солдатика и отправила его вдоль пунктира, идущего посередине листа Мёбиуса. И вот он вернулся к месту старта. Но в каком виде! В перевернутом! А чтобы он вернулся к старту в нормальном положении, ему нужно совершить ещё одно « круголистное » путешествие. Проверьте!


^ Эксперименты для всех.


Возьмем ленту, разделим каждую ее сторону на три одинаковые полоски и склеим, перекрутив один раз лист Мёбиуса. Будем резать по пунктирной линии. Если бы лента не была перекручена, то сначала мы бы отрезали одно кольцо, а потом еще два остальных. Все три кольца, каждое той же длины, что и первоначальное, но втрое меньше ширины. Но у нас лист Мёбиуса. И, «не отрывая» ножниц от бумаги, разрежем по всем пунктирным линиям сразу и получим два сцепленных кольца. Одно из них вдвое длиннее исходного и перекручено два раза. Второе- лист Мёбиуса, ширина которого втрое меньше, чем у исходного.

^ ВЫВОД: ЭТА РАБОТА ПОМОЖЕТ УЧЕНИКАМ РАСШИРИТЬ СВОЙ

КРУГОЗОР . НАУЧИТ В ОБЫЧНОМ ПОНЯТИИ НАЙТИ НЕОЖИДАННОЕ И ДАЖЕ ТАИНСТВЕННОЕ.





Бутылка Клейна





Лист Мёбиуса


Использование литературы:

1.Внеклассная работа по математике В.А.Гусев, А.И.Орлов, А.Л.Розенталь.

2.Математический цветник Ю.А.Данилова.

3.КРАТКИЙ ОЧЕРЕК ИСТОРИИ МАТЕМАТИКИ.Д.Я.Стройк.Перевод

с немецкого и дополнения И.Б.ПОГРЕБЫССКОГО.