2026-04-30

Topo Homework - Week 9

Topo Homework - Week 9

T1

  1. (ER) 找到一个不是商映射的连续满射 p:XYp: X \to Y.
X={a,b,c,d}T1 is discrete topology on XT2={,X}Id:(X,T1)(X,T2) is continuous and surjective ,but not quotient map.\begin{gathered} X=\{a,b,c,d\} \\ \mathcal{T}_1 \text{ is discrete topology on } X \\ \mathcal{T}_2 = \{ \varnothing,X \} \\ \mathrm{Id}:(X,\mathcal{T}_1)\to (X,\mathcal{T}_2) \text{ is continuous and surjective ,but not quotient map}. \end{gathered}

T2

  1. (ERH) 设 S=S1×I,βS = S^1 \times I, \beta 是一个定角. 在 SS 上定义等价关系 “\sim” 如下: 当 xInt(S)x \in \text{Int}(S) 时, xx;θ[0,2π],eθi×{0}e(θ+β)i×{1}x \sim x; \forall \theta \in [0, 2\pi], e^{\theta i} \times \{0\} \sim e^{(\theta+\beta)i} \times \{1\}. 证明: 商空间 S/S / \sim 与环面同胚.

定义映射

T(s)={(eθihβi,e2πhi),s={(eθi,h)},h(0,1)(eθi,1),s={(eθi,0),(e(θ+β)i,1)}\begin{gathered} T(s)=\begin{cases} (e^{\theta i-h\beta i},e^{2\pi hi}),s=\{(e^{\theta i},h)\},h\in (0,1) \\ (e^{\theta i},1),s=\{ (e^{\theta i},0),(e^{(\theta +\beta )i},1) \} \end{cases} \\ \end{gathered}

容易直接验证TT是双射.且TT对每个分量连续,TT为紧空间到T2空间的映射.故TT为同胚.

T3

  1. (ERH) 回答下列问题:
  • (1) 如果把矩形左端固定, 右端扭转 nπn\pi 角度, nN+n \in \mathbb{N}_+, 再把左右两侧边黏合, 可以得到什么曲面?
  • (2) 把 “长条形” 的矩形在三维空间中 “打结”, 然后再把左右两侧边黏合, 可以得到什么曲面?
  • (3) “长条形” 矩形的左右两端还有没有其他方式的同胚黏合? 可以得到多少种不同胚的曲面?

(1):2n2|n时为平环S1×IS^1\times I,2∤I2\not |I时为莫比乌斯带.

(2):打结不改变其同胚性.还是圆环面或莫比乌斯带.

长条形左右两端都是I=[0,1]I=[0,1],不同胚的曲面数,即本质不同的粘合方式数量,即II的自同胚数量.

f:IIf:I\to I是同胚.g:II,g=(xx)g:I\to I,g=(x\mapsto x)II上一条不自交的路径,于是fgf\circ g也是一条不自交的路径,且覆盖整个II.而II上的覆盖II的不自交的路径只有ggg1g^{-1}两种.所以粘合后得到的商空间只有I×I/((0,x)(1,x))I\times I/((0,x)\sim (1,x))I×I/((0,x)(0,1x))I\times I/((0,x)\sim (0,1-x))两种.

T4

  1. (ERH) 证明沿默比乌斯带的二等分腰线割开它, 所得的曲面同胚于平环.

考虑莫比乌斯带同胚于I×I/I\times I/\sim,其中xy    x=y(t s.t. {x,y}={(0,t),(1,1t)})x \sim y \iff x=y\lor (\exists t \ s.t.\ \{ x,y \} =\{ (0,t),(1,1-t) \} ).

那么莫比乌斯带的二等分腰线是一条(0,12)(1,12)(0,\dfrac12)\rightsquigarrow (1,\dfrac12)的路径.不妨设为α(t)=(t,12)\alpha(t)=(t,\dfrac12).

于是剪开后的莫比乌斯带即:

([0,12)(12,1])×I/\begin{gathered} ([0,\dfrac12)\cup (\dfrac12,1])\times I/\sim \end{gathered}

于是可构造同胚:

h:([0,12)(12,1])×I/S1×Ih(S)={(eπxi,2y), if S={(x,y)},x(0,1)y<12(eπxi,22y), if S={(x,y)},x(0,1)y>12(1,2y), if S={(0,y),(1,1y)},y<12(1,22y), if S={(0,y),(1,1y)},y>12\begin{gathered} h:([0,\dfrac12)\cup (\dfrac12,1])\times I/\sim\to S^1\times I \\ h(S)=\begin{cases} (e^{\pi x i},2y) ,\text{ if } S=\{(x,y)\},x\in (0,1)\land y<\dfrac12 \\ (-e^{\pi x i},2-2y) ,\text{ if } S=\{(x,y)\},x\in (0,1)\land y>\dfrac12 \\ (1,2y) ,\text{ if } S=\{(0,y),(1,1-y)\},y<\dfrac12 \\ (-1,2-2y) ,\text{ if } S=\{(0,y),(1,1-y)\},y>\dfrac12 \end{cases} \end{gathered}

容易验证它随每个分量连续,且是双射,且逆映射连续.

T5

  1. (EH) 回答下列问题: (1) 沿默比乌斯带的三等分腰线割开它, 得到什么曲面? (2) 沿默比乌斯带四等分腰线、五等分腰线分别割开它, 各得到什么曲面?

(1):pasted-image-1得到一个莫比乌斯环和一个平环.

(2):四等分,五等分线图和结果都同三等分线.

T6

  1. (MH) 在射影平面 P2\mathbb{P}^2 上分别找出两条简单闭曲线 α\alphaβ\beta, 使得 P2\mathbb{P}^2 沿 α\alpha 切开得到默比乌斯带和一个圆盘, 而沿 β\beta 切开只得到一个圆盘.

pasted-image-1

如图.考虑D1D^1粘合对径点的模型,则

α\alpha为一小圆圈路径得到一个圆盘和一个莫比乌斯带.

β\beta为一条直径,则得到一个圆盘.

T7

  1. (MRH) 定义映射 f:I2R5f: I^2 \to \mathbb{R}^5 如下: f(x,y)=(cos(2πx),cos(2πy),sin(2πy),sin(2πx)cos(πy),sin(2πx)sin(πy)).f(x, y) = (\cos(2\pi x), \cos(2\pi y), \sin(2\pi y), \sin(2\pi x) \cos(\pi y), \sin(2\pi x) \sin(\pi y)). 证明: ff 的像同胚于克莱因瓶.

克莱因瓶即I×I/,xy    t,{x,y}={(0,t),(1,t)}{x,y}={(t,0),(1t,1)}I\times I/\sim,x\sim y \iff \exists t,\{ x,y \} =\{ (0,t),(1,t) \} \lor \{ x,y \} =\{ (t,0),(1-t,1) \}.

那么直接定义映射T:I×I/    imf,T(S)=f(s),sST:I\times I/\sim \implies \operatorname{im} f,T(S)=f(s),s\in S.

证明TT良定义:因为f(0,t)=(1,cos(2πt),sin(2πt),0,0)=f(1,t)f(0,t)=(1,\cos(2\pi t),\sin(2\pi t),0,0)=f(1,t),f(t,0)=(cos(2πt),1,0,sin(2πt),0)=f(1t,1)f(t,0)=(\cos(2\pi t),1,0,\sin(2\pi t),0)=f(1-t,1).

仍然观察到TT对每一维分量连续,TT连续.

TT是满射:f(x,y)imf,Tπ(x,y)=f(x,y)\forall f(x,y)\in \operatorname{im} f,T\pi(x,y)=f(x,y).

TT是单射:T(a,b)=T(x,y)T(a,b)=T(x,y)解第二,三维可知b=yb=y,解第一,四维可知x=ax=a.故事单射.

TT是紧空间到T2空间的连续双射.故TT是同胚.