克莱因瓶是什么?

克莱因瓶是什么?
克莱因瓶是什么?

克莱因瓶是什么?
在1882年,著名数学家菲立克斯•克莱因(Felix Klein)发现了后来以他的名字命名的著名“瓶子”.这是一个象球面那样封闭的（也就是说没有边）曲面,但是它却只有一个面.在图片上我们看到,克莱因瓶的确就象是一个瓶子.但是它没有瓶底,它的瓶颈被拉长,然后似乎是穿过了瓶壁,最后瓶颈和瓶底圈连在了一起.如果瓶颈不穿过瓶壁而从另一边和瓶底圈相连的话,我们就会得到一个轮胎面.
具体分析
我们可以说一个球有两个面——外面和内面,如果一只蚂蚁在一个球的外表面上爬行,那么如果它不在球面上咬一个洞,就无法爬到内表面上去.轮胎面也是一样,有内外表面之分.但是克莱因瓶却不同,我们很容易想象,一只爬在“瓶外”的蚂蚁,可以轻松地通过瓶颈而爬到“瓶内”去——事实上克莱因瓶并无内外之分!在数学上,我们称克莱因瓶是一个不可定向的二维紧致流型,而球面或轮胎面是可定向的二维紧致流型.在数学上,我们称克莱因瓶是一个不可定向的二维紧致流型.如果我们观察克莱因瓶的图片,有一点似乎令人困惑——克莱因瓶的瓶颈和瓶身是相交的,换句话说,瓶颈上的某些点和瓶壁上的某些点占据了三维空间中的同一个位置.但是事实却非如此.事实是：克莱因瓶是一个在四维空间中才可能真正表现出来的曲面,如果我们一定要把它表现在我们生活的三维空间中,我们只好将就点,只好把它表现得似乎是自己和自己相交一样.事实上,克莱因瓶的瓶颈是穿过了第四维空间再和瓶底圈连起来的,并不穿过瓶壁.这是怎么回事呢?我们用扭节来打比方.如果我们把它看作平面上的曲线的话,那么它似乎自身相交,再一看似乎又断成了三截.但其实很容易明白,这个图形其实是三维空间中的曲线,它并不和自己相交,而且是连续不断的一条曲线.在平面上一条曲线自然做不到这样,但是如果有第三维的话,它就可以穿过第三维来避开和自己相交.只是因为我们要把它画在二维平面上时,只好将就一点,把它画成相交或者断裂了的样子.克莱因瓶也一样,这是一个事实上处于四维空间中的曲面.在我们这个三维空间中,即使是最高明的能工巧匠,也不得不把它做成自身相交的模样；就好像最高明的画家,在纸上画扭结的时候也不得不把它们画成自身相交的模样.题图就是一个用玻璃吹制的克莱因瓶.
性质
从拓扑学角度上看,克莱因瓶可以定义为矩阵[0,1] × [0,1],边定义为 (0,y) ~ (1,y) 条件 0 ≤y≤ 1 和 (x,0) ~ (1-x,1) 条件 0 ≤x≤ 1可以用图表示为 ----> ^ ^ | | <---- 就像麦比乌斯带一样,克莱因瓶没有定向性.但是与之不同的是,克莱因瓶是一个闭合的曲面,也就是说它没有边界.莫比乌斯带可以在三维的欧几里德空间中嵌入,克莱因瓶只能适用于四维空间.
克莱因瓶与麦比乌斯带
大家大概都知道麦比乌斯带.你可以把一条纸带的一段扭180度,再和另一端粘起来来得到一条麦比乌斯带的模型.这也是一个只有一麦比乌斯带、一个面的曲面,但是和球面、轮胎面和克莱因瓶不同的是,它有边（注意,它只有一条边）.如果我们把两条麦比乌斯带沿着它们唯一的边粘合起来,你就得到了一个克莱因瓶（当然不要忘了,我们必须在四维空间中才能真正有可能完成这个粘合,否则的话就不得不把纸撕破一点）.同样地,如果把一个克莱因瓶适当地剪开来,我们就能得到两条麦比乌斯带.除了我们上面看到的克莱因瓶的模样,还有一种不太为人所知的“8字形”克莱因瓶.它看起来和上面的曲面完全不同,但是在四维空间中它们其实就是同一个曲面——克莱因瓶.
克莱因瓶的制造
事实上,德国数学家克莱因就曾提出了“不可能”设想,即拓扑学的大怪物——克莱因瓶.这种瓶子根本没有内、外之之分,无论从什么地方穿透曲面,到达之处依然在瓶的外面,所以,它本质上就是一个“有外无内”的古怪东西. 尽管现代玻璃工业已经发展得非常先进,但是,所谓的“克莱因瓶,却始终是大数学家克莱因先生脑子里头的“虚构物”,根本制造不出来.许多国家的数学家老是想造它一个出来,作为献给国际数学家大会的礼物.然而,等等他们的是一个失败接着一个失败. 也有人认为,即使造不出玻璃制品,能造出一个纸模型也不错呀.如果真的解决了这个问题,那可是个大收获啊!但实际上,据说克莱因瓶已经被人制造出来了.在郭凯声等编著的《数学游戏》（下）一书的“玻璃克莱因瓶”一文中有清楚的介绍.兹引录部分如下：Alan Bennett是英国贝德福德的一位玻璃吹制工.几年前,他开始对拓扑学中出现的各种神秘的形状――墨比乌斯带、克莱因瓶等等――发生兴趣,并遇到了一个新奇的难题,数学家本会通过计算来尝试解决这个难题,而Bennett则用玻璃解决了它.他做出的一系列引人注目的物品很快就将成为伦敦科学博物馆中的一项永久性陈列品.
克莱因瓶的一些应用猜想
如果麦比乌斯带能够完美的展现一个“二维空间中一维可无限扩展之空间模型”的话,克莱因瓶只能作为展现一个“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”的参考.因为在制作麦比乌斯带的过程中,我们要对纸带进行180度翻转再首尾相连,这就一个三维空间下的操作.理想的“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”应该是在二维面中,朝任意方向前进都可以回到原点的模型,而克莱因瓶虽然在二维面上可以向任意方向无限前进,但是只有在两个特定的方向上才会回到原点,并且只有在其中一个方向上,回到原点之前会经过一个“逆向原点”,真正理想的“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”也应该是在二维面上朝任何方向前进,都会先经过一次“逆向原点”,再回到原点.而制作这个模型,则需要在四维空间上对三维模型进行扭曲.数学中有一个重要分支叫“拓扑学”,主要是研究几何图形连续改变形状时的一些特征和规律的,克莱因瓶和麦比乌斯带变成了拓扑学中最有趣的问题之一.麦比乌斯带的概念被广泛地应用到了建筑,艺术,工业生产中.
克莱因瓶的发明人介绍
菲立克斯·克莱因克莱因在杜塞尔多夫读的中学,毕业后,他考入了波恩大学学习数学和物理.他本来是想成为一位物理学家,但是数学教授普律克改变了他的主意.1868年克莱因在普律克教授的指导下完成了博士论文.在这一年里,普律克教授去世了,留下了未完成的几何基础课题.克莱因是完成这一任务的最佳人选.后来克莱因又去服了兵役.1871年,克莱因接受哥廷根大学的邀请担任数学讲师.1872年他又被埃尔朗根大学聘任为数学教授,这时他只有23岁.1875年他在慕尼黑高等技术学院取得了一个教席.在这里,他的学生包括胡尔维茨、冯戴克、洛恩、普朗克、毕安奇和里奇.五年之后,克莱因应邀去莱比锡大学讲授几何学.在这里他和他过去的出色的学生冯戴克、洛恩、司徒迪和恩格尔等成为了同事.1886年,克莱因接受了哥廷根大学的邀请来到哥廷根,开始了他的数学家的生涯.他讲授的课程非常广泛,主要是在数学和物理之间的交叉课题,如力学和势论.他在这里直到1913年退休.他实现了要重建哥廷根大学作为世界数学研究的重要中心的愿望. 著名的数学杂志《数学年刊》就是在克莱因的主持管理下才能在重要性上达到和超过了《克莱尔杂志》的.这本杂志在复分析、代数几何和不变量理论方面很有特色.在实分析和群论新领域也很出色. 要了解克莱因对在几何学上所作的贡献的特点是有点难的,因为即使用我们今天数学思想的大部分来理解他的结果的新奇之处也是很困难的.克莱因在数学上做出的第一个贡献是在1870年与李合作发现的.他们发现了库默尔面上曲线的渐近线的基本性质.他进一步地与李合作研究W-曲线.1871年克莱因出版了两篇有关非欧几何的论文,论文中证明了如果欧氏几何是相容的,那么非欧几何也是相容的.这就把非欧几何置于与欧氏几何同样坚实的基础之上.克莱因在他的著名的埃尔朗根纲领中,以变换群的观点综合了各种几何的不变量及其空间特性,以此为标准来分类,从而统一了几何学.今天这些观点已经成为大家的标准.变换在现代数学中扮演者主要角色.克莱因指明了如何用变换群来表达几何的基本特性的方法.而克莱因自己认为他对数学的贡献主要在函数理论上.1882年他在一篇论文中用几何方法来处理函数理论并把势论与保形映射联系起来.他也经常把物理概念用在函数理论上,特别是流体力学.克莱因对大于四次的方程特别是用超越方法来解五次的一般方程感兴趣.在厄尔米特和克隆耐克尔建立了与布里奥斯奇类似的方法之后,克莱因立刻就用二十面体群去试图完全解决这个问题.这个工作导致他在一系列论文中对椭圆模函数的研究.1884年,克莱因在他的一本关于二十面体的重要著作中,得到了一种连接代数与几何的重要关系,他发展了自守函数论.他和一位来自莱比锡的数学家罗伯特·弗里克合作出版了一套四卷本的关于自守函数和椭圆模函数的著作,这本著作影响以后20年.另一个计划是出版一套数学百科全书.他积极地参与到这个工作中,与K·穆勒一起编辑力学部分的四卷.我们还要提到克莱因发现的克莱因瓶,一种只有一个面的曲面.1885年克莱因被英国皇家学会选为国外会员并被授予科普勒奖金. 1908年克莱因被国际数学会选为在罗马召开的数学家大会主席.
克莱因瓶的商业应用
以前克莱因瓶只是拓扑学上的宠物,现在它终于走向了人们.克莱因杯的内壁和和外壁其实是一个连通的整体,所以它有两层,内层杯和外层杯.它的内胆是一个小杯,它的杯壁和手柄的内部构成另外一个外杯.你可以在两层杯子上都装上不同的液体.（就像鸳鸯火锅?）不知大家对武侠上经常提到的转心壶是否还有印象,两者有异曲同工之妙.