Топологическая геометрия - Topological geometry

Топологическая геометрия имеет дело со структурами инцидентности, состоящими из набора точек и семья подмножеств называется линиями или кругами и т. д., так что оба и нести топология и все геометрические операции, такие как соединение точек линией или пересекающимися линиями, являются непрерывными. Как и в случае с топологические группы, многие более глубокие результаты требуют, чтобы точечное пространство было (локально) компактным и связным. Это обобщает наблюдение, что линия, соединяющая две различные точки в Евклидова плоскость непрерывно зависит от пары точек, а точка пересечения двух прямых является непрерывной функцией этих прямых.

Линейные геометрии

Линейные геометрии структуры падения в котором любые две различные точки и соединены уникальной линией . Такие геометрии называются топологический если непрерывно зависит от пары относительно заданных топологий на множестве точек и наборе линий. В двойной линейной геометрии получается перестановкой ролей точек и линий. Обзор линейных топологических геометрий дан в главе 23 Справочник по геометрии падения.[1] Наиболее широко исследуются топологические линейные геометрии, которые также являются дуальными топологическими линейными геометриями. Такие геометрии известны как топологические. проективные плоскости.

История

Систематическое изучение этих самолетов началось в 1954 году с работы Скорнякова.[2] Ранее топологические свойства настоящий самолет был представлен через упорядочивающие отношения на аффинных прямых, см., например, Гильберта,[3] Coxeter,[4] и О. Уайлер.[5] Полнота упорядочивания эквивалентна локальная компактность и означает, что аффинные прямые гомеоморфный к и что точечное пространство связаны. Обратите внимание, что рациональное число недостаточно для описания наших интуитивных понятий плоской геометрии и того, что необходимо некоторое расширение рационального поля. Фактически, уравнение для круга нет рационального решения.

Топологические проективные плоскости

Однако подход к топологическим свойствам проективных плоскостей через соотношения упорядочения невозможен для плоскостей, координируемых сложные числа, то кватернионы или октонион алгебра.[6] Точечные пространства, а также линейные пространства этих классический плоскости (над действительными числами, комплексными числами, кватернионами и октонионами) компактны коллекторы измерения .

Топологическое измерение

Понятие о измерение топологического пространства играет важную роль в изучении топологических, в частности компактных связных плоскостей. Для нормальное пространство , размер можно охарактеризовать следующим образом:

Если обозначает -сфера, тогда тогда и только тогда, когда для каждого замкнутого подпространства каждая непрерывная карта имеет непрерывное расширение .

Подробнее и другие определения размера см. [7] и приведенные там ссылки, в частности Engelking[8] или Федорчук.[9]

2-х мерные плоскости

Прямые компактной топологической плоскости с двумерным точечным пространством образуют семейство кривых, гомеоморфных окружности, и этот факт характеризует эти плоскости среди топологических проективных плоскостей.[10] Эквивалентно точечное пространство - это поверхность. Ранние примеры, не изоморфные классической реальной плоскости были даны Гильбертом[3][11] и Moulton.[12] Свойства непрерывности этих примеров в то время явно не рассматривались, их можно было принять как должное. Конструкцию Гильберта можно модифицировать, чтобы получить несчетное количество попарно неизоморфных -мерные компактные плоскости. Традиционный способ различать от другого -размерных плоскостей по справедливости Теорема Дезарга или теорема Паппа (см., например, Пикерт[13] для обсуждения этих двух конфигурационных теорем). Последнее, как известно, подразумевает первое (Hessenberg[14]). Теорема Дезарга выражает своего рода однородность плоскости. В общем, это верно в проективной плоскости тогда и только тогда, когда плоскость может быть скоординирована (не обязательно коммутативным) полем,[3][15][13] отсюда следует, что группа автоморфизмы является переходный на множестве четырехугольников ( очков нет из которых коллинеарны). В данной ситуации гораздо более слабое условие однородности характеризует :

Теорема. Если группа автоморфизмов из -мерная компактная плоскость транзитивен на точечном множестве (или набор строк), тогда имеет компактную подгруппу которое даже транзитивно на множестве флагов (= падающая точка-линия), и классический.[10]

Группа автоморфизмов из -мерная компактная плоскость , взятые с топологией равномерное схождение на точечном пространстве является локально компактной группой размерности не выше , фактически даже Группа Ли. Все -мерные плоскости такие, что можно описать явно;[10] те, у кого в точности плоскости Моултона, классическая плоскость единственный -мерная плоскость с ; смотрите также.[16]

Компактные соединенные плоскости

Результаты на -мерные плоскости были расширены до компактных плоскостей размерности . Это возможно благодаря следующей основной теореме:

Топология компактных плоскостей. Если размерность точечного пространства компактной связной проективной плоскости конечно, то с . Более того, каждая строка представляет собой гомотопическая сфера измерения , видеть [17] или же.[18]

Особенности четырехмерных плоскостей рассматриваются в[19] более свежие результаты можно найти в.[20] Линии -мерная компактная плоскость гомеоморфна плоскости -сфера;[21] в случаях прямые не известны как многообразия, но во всех найденных до сих пор примерах прямые являются сферами. Подплан проективной плоскости считается Баер подплан[22] если каждая точка инцидент с линией и каждая строка содержит точку . Закрытый подплан является подплоскостью Бэра компактной связной плоскости тогда и только тогда, когда точечное пространство и ряд иметь такое же измерение. Следовательно, линии 8-мерной плоскости гомеоморфны сфере если имеет закрытый подплан Бэра.[23]

Однородные плоскости. Если является компактной связной проективной плоскостью и если транзитивна на точечном множестве , тогда имеет флаг-транзитивную компактную подгруппу и классический, видеть [24] или же.[25] Фактически, группа эллиптических движений.[26]

Позволять быть компактной плоскостью размера , и писать . Если , тогда классический,[27] и это простая группа Ли измерения соответственно. Все самолеты с известны явно.[28] Самолеты с в точности проективные замыкания аффинные плоскости координируется так называемым мутация алгебры октонионов , где новое умножение определяется следующим образом: выберите действительное число с и положи . Обширные семейства плоскостей с группой большой размерности были обнаружены систематически, исходя из предположений об их группах автоморфизмов, см., Например,[20][29][30][31][32] Многие из них являются проективными замыканиями самолеты перевода (аффинные плоскости, допускающие точно транзитивную группу автоморфизмов, отображающих каждую прямую в параллель), ср .;[33] смотрите также [34] для более свежих результатов в случае и [30] за .

Компактные проективные пространства

Подпланы проективные пространства из геометрический размерность не менее 3 обязательно дезаргова, см. [35] §1 или [4] §16 или.[36] Следовательно, все компактные связные проективные пространства могут быть согласованы действительными или комплексными числами или полем кватернионов.[37]

Стабильные самолеты

Классическая неевклидова гиперболическая плоскость могут быть представлены пересечениями прямых на реальной плоскости с открытым круговым диском. В более общем смысле открытые (выпуклые) части классических аффинных плоскостей являются типичными стабильными плоскостями. Обзор этих геометрий можно найти в[38] для -мерный случай см. также.[39]

А именно, стабильный самолет топологическая линейная геометрия такой, что

(1) является локально компактным пространством положительной конечной размерности,

(2) каждая строка является замкнутым подмножеством , и хаусдорфово пространство,

(3) множество открытое подпространство ( стабильность),

(4) карта непрерывно.

Обратите внимание, что стабильность исключает такие геометрии, как -мерное аффинное пространство над или же .

Устойчивый самолет является проективной плоскостью тогда и только тогда, когда компактный.[40]

Как и в случае проективных плоскостей, пучки прямых компактны и гомотопически эквивалентны сфере размерности , и с , видеть [17] или же.[41] Более того, точечное пространство является локально стягиваемым.[17][42]

Компактные группы (правильный) стабильные самолетыдовольно маленькие. Позволять обозначим максимальную компактную подгруппу группы автоморфизмов классического -мерная проективная плоскость . Тогда справедлива следующая теорема.
Если -мерная устойчивая плоскость допускает компактную группу автоморфизмов таких, что , тогда , видеть.[43]

Флаг-однородные устойчивые плоскости. Позволять быть устойчивым самолетом. Если группа автоморфизмов флаг-транзитивен, то классическая проективная или аффинная плоскость, или изоморфна внутренности абсолютной сферы гиперболического полярность классической плоскости; видеть.[44][45][46]

В отличие от проективного случая, существует множество точечно-однородных стабильных плоскостей, среди которых обширные классы плоскостей трансляции, см. [33] и.[47]

Симметричные плоскости

Аффинные плоскости трансляции обладают следующим свойством:

Существует точечная транзитивная замкнутая подгруппа группы автоморфизмов, содержащей единственное отражение в некоторых и, следовательно, в каждой точке.

В более общем плане симметричная плоскость стабильный самолет удовлетворяющее условию (); видеть,[48] ср.[49] для обзора этих геометрий. К [50] Следствие 5.5, группа группа Ли, а точечное пространство является многообразием. Следует, что это симметричное пространство. С помощью теории симметрических пространств Ли все симметричные плоскости с точечным множеством размерностей или же были засекречены.[48][51] Они либо являются плоскостями трансляции, либо определяются Эрмитова форма. Простой пример - реальная гиперболическая плоскость.

Геометрия круга

Классические модели [52] задаются плоскими сечениями квадратичной поверхности в реальном проективном -Космос; если сфера, геометрия называется Самолет Мебиуса.[39] Плоские сечения линейчатой ​​поверхности (однополостный гиперболоид) дают классический Самолет Минковского, ср.[53] для обобщений. Если эллиптический конус без вершины, геометрия называется Самолет Лагерра. В совокупности эти самолеты иногда называют Самолеты Benz. Топологическая плоскость Бенца считается классической, если каждая точка имеет окрестность, изоморфную некоторому открытому участку соответствующей классической плоскости Бенца..[54]

Самолеты Мебиуса

Самолеты Мёбиуса состоят из семейства окружностей, которые являются топологическими 1-сферами, на -сфера так что для каждой точки то полученный структура является топологической аффинной плоскостью.[55] В частности, любые отдельные точки соединены уникальным кругом. Пространство круга тогда гомеоморфно действительному проективному -пространство с удаленной точкой.[56] Большой класс примеров дают плоские сечения яйцевидной поверхности в реальных условиях. -Космос.

Однородные плоскости Мебиуса

Если группа автоморфизмов плоскости Мёбиуса транзитивна на точечном множестве или на съемочной площадке кругов, или если , тогда классический и , видеть.[57][58]

В отличие от компактных проективных плоскостей не существует топологических плоскостей Мёбиуса с окружностями размерности , в частности, нет компактных плоскостей Мёбиуса с -мерное точечное пространство.[59] Все двумерные плоскости Мёбиуса такие, что можно описать явно.[60][61]

Самолеты Лагерра

Классическая модель плоскости Лагерра состоит из круглой цилиндрической поверхности в действительности -Космос как точечный набор и компактные плоские сечения как круги. Пары точек, не соединенные кругом, называются параллельно. Позволять обозначают класс параллельных точек. потом это самолет , круги в этой плоскости можно представить параболами вида .

Аналогичным образом классический -мерная плоскость Лагерра связана с геометрией комплексных квадратичных многочленов. Вообще говоря, аксиомы локально компактной связной плоскости Лагерра требуют, чтобы производные плоскости вкладывались в компактные проективные плоскости конечной размерности. Окружность, не проходящая через точку вывода, индуцирует овал в производной проективной плоскости. К [62] или же,[63] окружности гомеоморфны сферам размерности или же . Следовательно, точечное пространство локально компактной связной плоскости Лагерра гомеоморфно цилиндру или это -мерное многообразие, ср.[64] Большой класс -мерные примеры, называемые овоидальными плоскостями Лагерра, даются плоскими сечениями цилиндра в реальном трехмерном пространстве, основанием которого является овал в .

Группа автоморфизмов -мерная плоскость Лагерра () является группой Ли относительно топологии равномерной сходимости на компактных подмножествах точечного пространства; кроме того, эта группа имеет размерность не более . Все автоморфизмы плоскости Лагерра, фиксирующие каждый параллельный класс, образуют нормальную подгруппу, ядро полной группы автоморфизмов. В -мерные плоскости Лагерра с - это в точности овоидальные плоскости над собственными косыми параболами.[65] Классический -мерные плоскости Лагерра - единственные такие, что , видеть,[66] ср. также.[67]

Однородные плоскости Лагерра

Если группа автоморфизмов из -мерный самолет Лагерра транзитивна на множестве параллельных классов, и если ядро транзитивна на множестве окружностей, то классический, видеть [68][67] 2.1,2.

Однако транзитивности группы автоморфизмов на множестве окружностей недостаточно для характеристики классической модели среди -мерные плоскости Лагерра.

Самолеты Минковского

Классическая модель самолета Минковского имеет тор как точечное пространство кружки представляют собой графики действительных дробно-линейных отображений на . Как и в случае плоскостей Лагерра, точечное пространство локально компактной связной плоскости Минковского имеет вид - или же -размерный; точечное пространство гомеоморфно тору или , видеть.[69]

Однородные плоскости Минковского

Если группа автоморфизмов самолета Минковского измерения флаг-транзитивен, то классический.[70]

Группа автоморфизмов -мерная плоскость Минковского является группой Ли размерности не выше . Все -мерные плоскости Минковского такие, что можно описать явно.[71] Классический -мерный самолет Минковского - единственный с , видеть.[72]

Примечания

  1. ^ Grundhöfer & Löwen 1995
  2. ^ Скорняков Л.А. Топологические проективные плоскости (1954). Труды Моск. Мат. Общч., 3: 347–373
  3. ^ а б c Гильберт 1899
  4. ^ а б Кокстер, H.S.M. (1993), Реальная проективная плоскость, Нью-Йорк: Springer
  5. ^ Уайлер,. (1952), «Порядок и топология в проективных плоскостях», Амер. J. Math., 74 (3): 656–666, Дои:10.2307/2372268, JSTOR  2372268CS1 maint: числовые имена: список авторов (связь)
  6. ^ Conway, J.H .; Смит, Д.А. (2003), О кватернионах и октонионах: их геометрия, арифметика и симметрия, Натик, Массачусетс: А. К. Питерс
  7. ^ Salzmann et al. 1995 г., §92
  8. ^ Энгелкинг, Р. (1978), Теория размерностей, Северная Голландия Publ. Co.
  9. ^ Федорчук, В. (1990), «Основы теории размерности», Энцикл. Математика. Sci., Берлин: Springer, 17: 91–192
  10. ^ а б c Зальцманн 1967
  11. ^ Строппель, М. (1998), "Bemerkungen zur ersten nicht desarguesschen ebenen Geometrie bei Hilbert", J. Geom., 63 (1–2): 183–195, Дои:10.1007 / bf01221248, S2CID  120078708
  12. ^ Моултон, Ф. (1902), "Простая недезаргова плоская геометрия", Пер. Амер. Математика. Soc., 3 (2): 192–195, Дои:10.1090 / с0002-9947-1902-1500595-3
  13. ^ а б Пикерт 1955
  14. ^ Гессенберг, Г. (1905), "Beweis des Desarguesschen Satzes aus dem Pascalschen", Математика. Анна. (на немецком), 61 (2): 161–172, Дои:10.1007 / bf01457558, S2CID  120456855
  15. ^ Hughes, D.R .; Пайпер, Ф.С. (1973), Проективные плоскости, Берлин: Springer
  16. ^ Salzmann et al. 1995 г., Глава 3
  17. ^ а б c Лёвен 1983
  18. ^ Salzmann et al. 1995 г., 54.11
  19. ^ Salzmann et al. 1995 г., Глава 7
  20. ^ а б Беттен, Д. (1997), "О классификации -мерные гибкие проективные плоскости », Lect. Notes Pure. Appl. Математика., 190: 9–33
  21. ^ Salzmann et al. 1995 г., 53.15
  22. ^ Зальцманн, Х. (2003), "Подпланы Бэра", Иллинойс J. Math., 47 (1–2): 485–513, Дои:10.1215 / ijm / 1258488168
  23. ^ Salzmann et al. 1995 г., 55.6
  24. ^ Лёвен Р. (1981), "Однородные компактные проективные плоскости", J. Reine Angew. Математика., 321: 217–220
  25. ^ Salzmann et al. 1995 г., 63.8
  26. ^ Salzmann et al. 1995 г., 13.12
  27. ^ Salzmann et al. 1995 г., 72.8,84.28,85.16
  28. ^ Salzmann et al. 1995 г., 73.22,84.28,87.7
  29. ^ Хэл, Х. (1986), "Achtdimensionale lokalkompakte Translationsebenen mit mindestens -размер Kollineationsgruppe ", Геом. Dedicata (на немецком), 21: 299–340, Дои:10.1007 / bf00181535, S2CID  116969491
  30. ^ а б Хэл, Х. (2011), "Шестнадцатимерные локально компактные плоскости трансляции с группами коллинеаций размерности не менее ", Adv. Геом., 11: 371–380, Дои:10.1515 / advgeom.2010.046
  31. ^ Хэл, Х. (2000), "Шестнадцатимерные локально компактные плоскости трансляции с большими группами автоморфизмов, не имеющими неподвижных точек", Геом. Dedicata, 83: 105–117, Дои:10.1023 / А: 1005212813861, S2CID  128076685
  32. ^ Salzmann et al. 1995 г., §§73,74,82,86
  33. ^ а б Knarr 1995
  34. ^ Зальцманн 2014
  35. ^ Гильберт 1899, §§22
  36. ^ Веблен, О .; Янг, Дж. (1910), Проективная геометрия Vol. я, Бостон: Ginn Comp.
  37. ^ Колмогоров А. (1932), "Zur Begründung der projektiven Geometrie", Анна. математики. (на немецком), 33 (1): 175–176, Дои:10.2307/1968111, JSTOR  1968111
  38. ^ Salzmann et al. 1995 г., §§3,4
  39. ^ а б Polster & Steiner 2001
  40. ^ Salzmann et al. 1995 г., 3.11
  41. ^ Salzmann et al. 1995 г., 3.28,29
  42. ^ Grundhöfer & Löwen 1995, 3.7
  43. ^ Строппель, М. (1994), «Компактные группы автоморфизмов стабильных плоскостей», Forum Math., 6 (6): 339–359, Дои:10.1515 / form.1994.6.339, S2CID  53550190
  44. ^ Лёвен, Р. (1983), "Стабильные плоскости с изотропными точками", Математика. Z., 182: 49–61, Дои:10.1007 / BF01162593, S2CID  117081501
  45. ^ Salzmann et al. 1995 г., 5.8
  46. ^ Зальцманн 2014, 8.11,12
  47. ^ Salzmann et al. 1995 г., Главы 7 и 8
  48. ^ а б Лёвен Р. (1979), «Симметричные плоскости», Pacific J. Math., 84 (2): 367–390, Дои:10.2140 / pjm.1979.84.367
  49. ^ Grundhöfer & Löwen 1195, 5.26-31
  50. ^ Hofmann, K.H .; Крамер, Л. (2015), "Транзитивные действия локально компактных групп на локально сжимающих пространствах", J. Reine Angew. Математика., 702: 227–243, 245/6
  51. ^ Левен, Р. (1979), "Классификация -мерные симметричные плоскости », Математика. Z., 167: 137–159, Дои:10.1007 / BF01215118, S2CID  123564207
  52. ^ Steinke 1995 г.
  53. ^ Polster & Steinke 2001 г., §4
  54. ^ Стейнке, Г. (1983), "Локально классические плоскости Бенца являются классическими", Математика. Z., 183: 217–220, Дои:10.1007 / bf01214821, S2CID  122877328
  55. ^ Wölk, D. (1966), "Topologische Möbiusebenen", Математика. Z. (на немецком), 93: 311–333, Дои:10.1007 / BF01111942
  56. ^ Löwen, R .; Стейнке, Г.Ф. (2014), «Круговое пространство сферической круговой плоскости», Бык. Бельг. Математика. Soc. Саймон Стевин, 21 (2): 351–364, Дои:10.36045 / bbms / 1400592630
  57. ^ Strambach, K. (1970), "Sphärische Kreisebenen", Математика. Z. (на немецком), 113: 266–292, Дои:10.1007 / bf01110328, S2CID  122982956
  58. ^ Steinke 1995 г., 3.2
  59. ^ Гро, Х. (1973), «Плоскости Мёбиуса с локально евклидовой окружностью плоские», Математика. Анна., 201 (2): 149–156, Дои:10.1007 / bf01359792, S2CID  122256290
  60. ^ Strambach, K. (1972), "Sphärische Kreisebenen mit dreidimensionaler nichteinfacher Automorphismengruppe", Математика. Z. (на немецком), 124: 289–314, Дои:10.1007 / bf01113922, S2CID  120716300
  61. ^ Strambach, K. (1973), "Sphärische Kreisebenen mit einfacher Automorphismengruppe"'", Геом. Dedicata (на немецком), 1: 182–220, Дои:10.1007 / bf00147520, S2CID  123023992
  62. ^ Бьюкенен, Т .; Hähl, H .; Лёвен, Р. (1980), "Topologische Ovale", Геом. Dedicata (на немецком), 9 (4): 401–424, Дои:10.1007 / bf00181558, S2CID  189889834
  63. ^ Salzmann et al. 1995 г., 55.14
  64. ^ Steibke 1995, 5.7
  65. ^ Steinke 1995 г., 5.5
  66. ^ Steinke 1995 г., 5.4,8
  67. ^ а б Стейнке, Г.Ф. (2002), "-мерные плоскости Лагерра эляции, допускающие неразрешимые группы автоморфизмов », Монатш. Математика., 136: 327–354, Дои:10.1007 / s006050200046, S2CID  121391952
  68. ^ Стейнке, Г.Ф. (1993), "-мерные точечно-транзитивные группы автоморфизмов - размерные плоскости Лагерра », Результаты по математике, 24: 326–341, Дои:10.1007 / bf03322341, S2CID  123334384
  69. ^ Штайнке 1991, 4.6
  70. ^ Стейнке, Г.Ф. (1992), "-мерные плоскости Минковского с большой группой автоморфизмов », Forum Math., 4: 593–605, Дои:10.1515 / форма.1992.4.593, S2CID  122970200
  71. ^ Polster & Steinke 2001 г., §4.4
  72. ^ Steinke 1995 г., 4.5 и 4.8

Рекомендации

  • Grundhöfer, T .; Лёвен, Р. (1995), Бюкенхаут, Ф. (ред.), Справочник по геометрии падения: здания и фундаменты, Амстердам: Северная Голландия, стр. 1255–1324.
  • Гильберт, Д. (1899), Основы геометрии, перевод Э. Дж. Таунсенда, 1902, Чикаго
  • Knarr, Н. (1995), Самолеты перевода. Фундаменты и принципы строительства, Конспект лекций по математике, 1611, Берлин: Springer
  • Левен, Р. (1983), "Топология и размерность стабильных плоскостей: по гипотезе Х. Фройденталя", J. Reine Angew. Математика., 343: 108–122
  • Пикерт, Г. (1955), Projektive Ebenen (на немецком языке), Берлин: Springer
  • Polster, B .; Стейнке, Г.Ф. (2001), Геометрии на поверхностях, Кембридж, UP
  • Зальцманн, Х. (1967), "Топологические плоскости", Успехи в математике, 2: 1–60, Дои:10.1016 / с0001-8708 (67) 80002-1
  • Зальцманн, Х. (2014), Компактные самолеты, в основном 8-ми мерные. Ретроспективный взгляд, arXiv:1402.0304, Bibcode:2014arXiv1402.0304S
  • Salzmann, H .; Betten, D .; Grundhöfer, T .; Hähl, H .; Löwen, R .; Строппель, М. (1995), Компактные проективные плоскости, В. де Грюйтер
  • Стейнке, Г. (1995), "Геометрии топологического круга", Справочник по геометрии падения, Амстердам: Северная Голландия: 1325–1354, Дои:10.1016 / B978-044488355-1 / 50026-8, ISBN  9780444883551