Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠

Manifold series, part 16: defining the Möbius strip as a quotient with a flipped gluing, and showing with two charts that it is a smooth manifoldManifold 시리즈 16편: 뒤집어 붙이는 몫공간으로 뫼비우스 띠를 정의하고, 두 장의 좌표 조각으로 매끄러운 다양체임을 보인다

Manifold series매니폴드 시리즈Part 16 of 1818편 중 16번째
  1. Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
  2. Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
  3. Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
  4. Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
  5. Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
  6. Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
  7. Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
  8. Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
  9. Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
  10. Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
  11. Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
  12. Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
  13. Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
  14. Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
  15. Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
  16. Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
  17. Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
  18. Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 Lesson 16: The Möbius strip에 해당합니다. 지난 편에서는 정사각형의 두 변을 같은 방향으로 이어 붙여 원기둥을 만들었습니다. 이번에는 한쪽을 뒤집어 붙이고, 그 결과가 매니폴드가 되는지 확인합니다.

무한한 띠에서 출발하기

이번에는 끝없이 이어지는 띠에서 시작합니다.

S=R×(−1,1)={ (s,t)∣s∈R, −1<t<1 }S = \R \times (-1, 1) = \{\, (s, t) \mid s \in \R,\ -1 < t < 1 \,\}

평면의 부분 공간 위상을 주고, 가로 방향 ss는 한없이 이어지며 세로 방향 tt는 폭이 2입니다. 정수 kk마다 이 띠를 자기 자신으로 보내는 사상을 하나씩 정합니다.

fk(s,t)=(s+2πk, (−1)kt)f_k(s, t) = \bigl(s + 2\pi k,\ (-1)^k t\bigr)

kk가 짝수이면 2πk2\pi k만큼 옆으로 밀기만 합니다. kk가 홀수이면 밀면서 위아래도 뒤집습니다. 각 fkf_k는 연속이고 역사상 f−kf_{-k}도 연속이어서 위상동형 사상입니다. 그리고 fk∘fl=fk+lf_k \circ f_l = f_{k+l}이 성립합니다. (짝수 번 뒤집으면 원래대로입니다.)

뒤집어 붙이는 동치 관계

두 점 (s,t)(s, t)와 (s′,t′)(s', t')에 대해 (s′,t′)=fk(s,t)(s', t') = f_k(s, t)를 만족하는 정수 kk가 있으면 (s,t)∼(s′,t′)(s, t) \sim (s', t')로 정합니다. 반사성은 k=0k = 0, 대칭성은 f−kf_{-k}, 추이성은 fk∘fl=fk+lf_k \circ f_l = f_{k+l}로 확인되니 동치 관계입니다. 몫공간을 M=S/ ⁣∼M = S / \!\sim, 정준 사영을 P:S→MP : S \to M이라 하고, MM에 최종 위상을 줍니다. 이 MM이 뫼비우스 띠입니다.

이 관계를 한 구간으로 읽으면 이렇습니다. s∈[0,2π]s \in [0, 2\pi]인 조각만 남기면 왼쪽 끝의 점 (0,t)(0, t)가 오른쪽 끝의 점 (2π,−t)(2\pi, -t)와 붙습니다. 같은 높이끼리 붙이면 원기둥이었고, 높이를 뒤집어 붙이면 뫼비우스 띠입니다. 아래 장난감에서 붙이는 방식을 바꿔 가며 표시한 두 점이 한 점으로 모이는지 보세요.

그대로 붙임을 고르고 붙이기를 끝까지 밀면 원기둥이 됩니다. 뒤집어 붙임을 고르면 띠가 반 바퀴 비틀리면서 이어집니다. 표시한 높이 tt를 바꿔 보면 두 점이 모이는 방식이 보입니다. 뒤집어 붙일 때 왼쪽의 tt 높이의 점이 오른쪽의 −t-t 높이의 점과 만납니다. 끝까지 붙인 뒤에는 파란 면과 초록 면이 이어지는지, 따로 남는지도 확인해 보세요. 파란색과 초록색은 종이의 앞뒤를 구분하는 표시입니다.

Q. 뒤집어 붙인 모양을 삼차원에서 어떻게 그렸나요?
A. 장난감은 평평한 띠에서 붙인 띠까지 연속으로 변하는 그림을 직접 만든 것입니다. 중심선을 원으로 말고, 띠의 폭 방향을 반 바퀴 비틀어 두 끝이 겹치게 했습니다. 강의에서 이 삼차원 식을 이끌어 낸 것은 아니고, 몫공간의 정의가 말하는 붙임을 눈으로 보려고 만든 그림입니다. 띠가 말리는 도중의 길이는 실제 종이처럼 일정하지 않고 그림에 맞춰 늘어납니다. (이 설명은 장난감을 읽는 법을 돕기 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

사영은 열린 사상입니다

몫사상은 일반적으로 열린 사상이 못 되지만, 이 사영은 열린 사상입니다. 열린집합 U⊂SU \subset S를 잡읍시다. P(U)P(U)가 열려 있는지는 몫위상의 정의에 따라 역상 P−1(P(U))P^{-1}(P(U))가 열려 있는지로 확인합니다. 이 역상은 UU와 동치인 점을 모두 모은 집합이고, 꼴을 쓰면

P−1(P(U))=⋃k∈Zfk(U)P^{-1}(P(U)) = \bigcup_{k \in \Z} f_k(U)

입니다. 각 fkf_k는 위상동형 사상이어서 fk(U)f_k(U)가 열려 있고, 열린집합의 합집합은 열려 있습니다. 따라서 P(U)P(U)는 열려 있습니다. 같은 이유로 원기둥에서도 사영이 열린 사상이 됩니다.

두 장의 좌표 조각

매니폴드가 되려면 어느 점 근처에서도 평면의 열린집합과 위상동형인 조각이 있어야 합니다. 띠를 두 조각으로 덮겠습니다.

V1=(−π,π)×(−1,1),V2=(0,2π)×(−1,1)V_1 = (-\pi, \pi) \times (-1, 1), \qquad V_2 = (0, 2\pi) \times (-1, 1)

(강의에서는 두 조각의 너비를 주기와 맞춘 방식이 조금 달라 보여서, 여기서는 너비를 2π2\pi로 맞추어 적었습니다.)

사영 PP를 V1V_1로 제한하면 일대일입니다. V1V_1 안의 두 점이 서로 동치이려면 어떤 k≠0k \neq 0에 대해 ss 좌표가 2πk2\pi k만큼 달라야 하는데, V1V_1의 폭이 2π2\pi이고 양 끝점을 포함하지 않아서 불가능합니다. PP는 연속이고 열린 사상이므로 P∣V1P|_{V_1}은 V1V_1에서 P(V1)P(V_1)로 가는 위상동형 사상입니다. V2V_2도 마찬가지입니다. 이 두 위상동형 사상의 역사상을

ψ1=(P∣V1)−1:P(V1)→V1,ψ2=(P∣V2)−1:P(V2)→V2\psi_1 = (P|_{V_1})^{-1} : P(V_1) \to V_1, \qquad \psi_2 = (P|_{V_2})^{-1} : P(V_2) \to V_2

라 하면 좌표 조각이 됩니다. 두 조각이 MM 전체를 덮는지도 봅시다. 어느 점의 ss 좌표든 2π2\pi의 배수만큼 밀면 (−π,π)(-\pi, \pi) 안이나 (0,2π)(0, 2\pi) 안에 들어갑니다. s=0s = 0은 V1V_1이, s=πs = \pi는 V2V_2가 맡습니다.

좌표 변환은 매끄럽습니다

두 조각이 겹치는 곳에서 좌표가 어떻게 바뀌는지 보겠습니다. V1V_1 쪽 좌표 (s,t)(s, t)에서 출발합니다.

  • 0<s<π0 < s < \pi이면 이 점은 이미 V2V_2 안에 있습니다. ψ2∘ψ1−1(s,t)=(s,t)\psi_2 \circ \psi_1^{-1}(s, t) = (s, t)입니다.
  • −π<s<0-\pi < s < 0이면 V2V_2에 들어가려면 f1f_1을 써야 합니다. ψ2∘ψ1−1(s,t)=(s+2π,−t)\psi_2 \circ \psi_1^{-1}(s, t) = (s + 2\pi, -t)입니다.

겹치는 부분은 s=0s = 0인 선분을 빼면 둘로 갈라져 있고(원기둥에서도 마찬가지입니다), 각 부분에서 좌표 변환은 이동이나 뒤집기뿐이어서 매끄럽습니다. 그러므로 이 두 조각은 매끄러운 아틀라스를 이루고, MM은 매끄러운 이차원 매니폴드입니다.

Q. 원기둥도 같은 방식으로 좌표를 잡으면 좌표 변환이 어떻게 되나요?
A. 같은 높이끼리 붙이니 두 부분 모두에서 (s,t)↦(s,t)(s, t) \mapsto (s, t) 또는 (s+2π,t)(s + 2\pi, t)입니다. 뒤집는 부분이 하나도 없다는 것이 원기둥과 뫼비우스 띠의 차이입니다.

뒤집힌 곳을 야코비 행렬로 보면

좌표 변환의 야코비 행렬을 적어 봅시다. 첫 번째 부분은 단위 행렬이고 행렬식이 +1+1입니다. 두 번째 부분은 diag(1,−1)\mathrm{diag}(1, -1)이고 행렬식이 −1-1입니다. 방향을 가진 매니폴드(방향을 정할 수 있는orientable 매니폴드)이려면 좌표 변환의 행렬식이 모두 양수가 되는 아틀라스가 있어야 합니다. 이 두 조각으로는 겹침이 두 부분으로 갈라지고 그 부호가 서로 달라서, 한 조각의 방향을 뒤집어도 양수로 맞출 수 없습니다. 이것이 뫼비우스 띠를 방향을 정할 수 없는non-orientable 면이라고 부르는 배경입니다. (어떤 아틀라스로도 안 된다는 증명은 이 두 조각만으로는 끝나지 않고, 강의에서도 거기까지 가지 않았습니다.)

그림으로는 이렇습니다. 띠 위에서 한 바퀴를 돌면 앞면이 뒷면이 됩니다. 시계 방향의 작은 고리를 들고 한 바퀴 돌고 오면 반시계 방향이 되어 돌아옵니다. 장난감에서 뒤집어 붙임을 고르고 끝까지 붙이면 파란 면과 초록 면이 이어져, 면이 하나뿐이라는 설명이 뜹니다. 원기둥에서는 같은 설명이 면이 두 개라고 말해 줍니다.

하우스도르프와 제2 가산

매니폴드의 정의에는 좌표 조각 말고도 하우스도르프 조건과 제2 가산 조건이 들어갑니다. 강의에서는 이 두 가지를 확인하지 않았습니다. 여기서는 짧게 살펴봅니다. (이 단락은 보탠 설명이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

  • 제2 가산: SS의 가산 기저(예를 들어 유리수 꼭짓점의 열린 직사각형)를 PP로 보내면 MM의 가산 기저가 됩니다. PP가 열린 사상이고 전사이기 때문입니다.
  • 하우스도르프: 서로 다른 두 동치류 [x],[y][x], [y]를 잡습니다. xx와 yy 각각의 작은 이웃 U,VU, V를 골라, 모든 kk에 대해 fk(U)∩V=∅f_k(U) \cap V = \varnothing이게 할 수 있습니다. ∣k∣|k|가 크면 fkf_k가 점을 멀리 보내므로 겹치지 않고, 남은 유한 개의 kk에서는 fk(x)≠yf_k(x) \neq y여서 이웃을 충분히 줄이면 됩니다. 그러면 P(U)P(U)와 P(V)P(V)가 서로소인 열린집합이 됩니다.

이웃 도형들

이 방법으로 다른 도형도 만듭니다. 같은 정사각형의 한쪽은 같은 방향으로, 다른 쪽은 뒤집어 붙이면 클라인 병이 됩니다. 구의 마주 보는 점 xx와 −x-x를 같은 점으로 묶으면 사영 평면이 됩니다. 클라인 병과 사영 평면도 방향을 정할 수 없는 매니폴드입니다. (이 단락은 보탠 설명이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

몫공간으로 매니폴드를 만드는 방법을 이것으로 갖추었습니다. 다음 강의로 이어집니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers Lesson 16: The Möbius strip. In the previous post we glued two sides of a square in the same direction to make a cylinder. This time we glue one side flipped and check whether the result is a manifold.

Starting from an endless strip

This time we start from a strip that goes on forever instead of a finite sheet.

S=R×(−1,1)={ (s,t)∣s∈R, −1<t<1 }S = \R \times (-1, 1) = \{\, (s, t) \mid s \in \R,\ -1 < t < 1 \,\}

It carries the subspace topology of the plane. The horizontal direction ss runs on without end, and the vertical direction tt has width 2. For each integer kk we define a map of this strip to itself.

fk(s,t)=(s+2πk, (−1)kt)f_k(s, t) = \bigl(s + 2\pi k,\ (-1)^k t\bigr)

For even kk it only shifts sideways by 2πk2\pi k. For odd kk it shifts and also flips up and down. Each fkf_k is continuous and its inverse f−kf_{-k} is continuous, so it is a homeomorphism. Also fk∘fl=fk+lf_k \circ f_l = f_{k+l} holds. (Flipping an even number of times gives back the original.)

The equivalence relation with a flip

For two points (s,t)(s, t) and (s′,t′)(s', t') we write (s,t)∼(s′,t′)(s, t) \sim (s', t') when there is an integer kk with (s′,t′)=fk(s,t)(s', t') = f_k(s, t). Reflexivity comes from k=0k = 0, symmetry from f−kf_{-k}, and transitivity from fk∘fl=fk+lf_k \circ f_l = f_{k+l}, so it is an equivalence relation. Let M=S/ ⁣∼M = S / \!\sim be the quotient space and P:S→MP : S \to M the canonical projection, and give MM the final topology. This MM is the Möbius strip.

Read over one period, the relation says this. Keep only the piece with s∈[0,2π]s \in [0, 2\pi], and the point (0,t)(0, t) at the left end is glued to the point (2π,−t)(2\pi, -t) at the right end. Gluing equal heights gave the cylinder, and gluing with the height flipped gives the Möbius strip. In the toy below, switch the way of gluing and watch whether the two marked points become one point.

Choose Straight and push Glue to the end and you get a cylinder. Choose Flipped and the strip joins with a half twist. Change the marked height tt to see how the two points meet. With the flipped gluing, the point at height tt on the left meets the point at height −t-t on the right. After gluing to the end, also check whether the blue and green faces continue into each other or stay separate. Blue and green mark the two sides of the paper.

Q. How was the glued shape drawn in three dimensions?
A. The toy is a picture I built that changes continuously from the flat strip to the glued strip. The center line is rolled into a circle and the width direction is twisted by a half turn so the two ends meet. The lecture does not derive this three-dimensional formula; it is a picture for seeing the gluing that the definition of the quotient space describes. During the curling the length is not kept fixed as with real paper, and stretches to fit the picture. (This explanation is added to help read the toy and was not covered in the lecture.)

The projection is an open map

A quotient map is in general not open, but this projection is. Take an open set U⊂SU \subset S. By the definition of the quotient topology, P(U)P(U) is open when the preimage P−1(P(U))P^{-1}(P(U)) is open. This preimage is the set of all points equivalent to a point of UU, and written out it is

P−1(P(U))=⋃k∈Zfk(U).P^{-1}(P(U)) = \bigcup_{k \in \Z} f_k(U).

Each fkf_k is a homeomorphism, so fk(U)f_k(U) is open, and a union of open sets is open. Hence P(U)P(U) is open. For the same reason the projection is an open map for the cylinder too.

Two charts

To be a manifold, every point needs a neighborhood homeomorphic to an open set of the plane. We cover the strip with two pieces.

V1=(−π,π)×(−1,1),V2=(0,2π)×(−1,1)V_1 = (-\pi, \pi) \times (-1, 1), \qquad V_2 = (0, 2\pi) \times (-1, 1)

(In the lecture the widths of the two pieces look slightly different from the period, so here I fixed the width at 2π2\pi.)

The projection PP restricted to V1V_1 is one-to-one. Two points of V1V_1 can be equivalent only if their ss coordinates differ by 2πk2\pi k for some k≠0k \neq 0, and that cannot happen because V1V_1 is narrower than 2π2\pi and omits its endpoints. PP is continuous and open, so P∣V1P|_{V_1} is a homeomorphism from V1V_1 onto P(V1)P(V_1). The same holds for V2V_2. The inverses of these two homeomorphisms,

ψ1=(P∣V1)−1:P(V1)→V1,ψ2=(P∣V2)−1:P(V2)→V2,\psi_1 = (P|_{V_1})^{-1} : P(V_1) \to V_1, \qquad \psi_2 = (P|_{V_2})^{-1} : P(V_2) \to V_2,

are the charts. Let us also check that the two pieces cover all of MM. Shifting by a multiple of 2π2\pi, the ss coordinate of any point lands in (−π,π)(-\pi, \pi) or in (0,2π)(0, 2\pi). The point s=0s = 0 is handled by V1V_1, and s=πs = \pi by V2V_2.

The transition map is smooth

Let us see how the coordinates change where the two pieces overlap. Start from the coordinates (s,t)(s, t) on the V1V_1 side.

  • If 0<s<π0 < s < \pi, the point is already in V2V_2. Then ψ2∘ψ1−1(s,t)=(s,t)\psi_2 \circ \psi_1^{-1}(s, t) = (s, t).
  • If −π<s<0-\pi < s < 0, we must use f1f_1 to enter V2V_2. Then ψ2∘ψ1−1(s,t)=(s+2π,−t)\psi_2 \circ \psi_1^{-1}(s, t) = (s + 2\pi, -t).

With the segment s=0s = 0 removed, the overlap splits into two parts (the same happens for the cylinder), and on each part the coordinate change is only a shift or a flip, which is smooth. So these two pieces form a smooth atlas, and MM is a smooth two-dimensional manifold.

Q. If we put coordinates on the cylinder the same way, what are the transition maps?
A. Since equal heights are glued, on both parts it is (s,t)↦(s,t)(s, t) \mapsto (s, t) or (s+2π,t)(s + 2\pi, t). Having no flipped part at all is the difference between the cylinder and the Möbius strip.

The flip seen through the Jacobian

Write down the Jacobian matrices of the transition maps. On the first part it is the identity, with determinant +1+1. On the second part it is diag(1,−1)\mathrm{diag}(1, -1), with determinant −1-1. For an oriented manifold (an orientable manifold) we need an atlas whose transition maps all have positive determinant. With these two pieces the overlap splits into two parts with opposite signs, and reversing one chart still cannot make them both positive. This is the background for calling the Möbius strip a non-orientable surface. (A proof that no atlas works does not finish with these two pieces alone, and the lecture did not go that far.)

As a picture: going once around the strip turns the front into the back. If you carry a small clockwise loop once around, it comes back counterclockwise. In the toy, choose Flipped and glue to the end, and the note says the blue and green faces continue into each other, so there is only one face. For the cylinder the same note says there are two faces.

Hausdorff and second countable

The definition of a manifold needs, besides charts, the Hausdorff condition and second countability. The lecture did not check these two. Here is a short look. (This paragraph is added and was not covered in the lecture.)

  • Second countable: send a countable base of SS (for example open rectangles with rational corners) through PP, and we get a countable base of MM. This works because PP is open and surjective.
  • Hausdorff: take two different classes [x],[y][x], [y]. We can choose small neighborhoods U,VU, V of xx and yy with fk(U)∩V=∅f_k(U) \cap V = \varnothing for all kk. For large ∣k∣|k| the map fkf_k sends points far away, so they do not meet, and for the finitely many remaining kk we have fk(x)≠yf_k(x) \neq y, so shrinking the neighborhoods is enough. Then P(U)P(U) and P(V)P(V) are disjoint open sets.

Neighbors of this shape

The same method builds other shapes. Glue one pair of sides of a square in the same direction and the other pair flipped, and you get the Klein bottle. Identify opposite points xx and −x-x of the sphere and you get the projective plane. The Klein bottle and the projective plane are also non-orientable manifolds. (This paragraph is added and was not covered in the lecture.)

That completes the way to build manifolds from quotient spaces. The next lecture continues from here.

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