PROBLEMI DI CLASSIFICAZIONE
In una fissata categoria il “problema della classificazione” consiste nel problema
dell’esistenza di un algoritmo capace di stabilire, in un numero finito di passi,
se due dati oggetti siano o meno sono isomorfi.
La categoria a cui siamo interessati è quella che ha per oggetti le varietà
topologiche n-dimensionali e per isomorfismi gli omeomorfismi.
Quindi la domanda che ci poniamo è:
date due varietà n-dimensionali è possibile stabilire se siano o meno
omeomorfe?
Visto che un omeomorfismo porta componenti connesse in componenti connesse
ci limiteremo ad analizzare il caso di varietà connesse.
Inoltre il caso di varietà con bordo deriva dall’analisi delle componenti di bordo
(che sono varietà (n-1)-dimensionali) e dal caso senza bordo. Prenderemo quindi
in esame solo varietà senza bordo.
UN PO’ DI STORIA I
• n=1
compatto: ogni curva è omeomorfa alla circonferenza.
non compatto: ogni curva (che soddisfa il II assioma di
numerabilità) è omeomorfa alla retta. La condizione aggiuntiva
è necessaria in quanto esiste un controesempio: la lunga retta.
• n=2
compatto: si è giunti ad una classificazione grazie al
contributo di numerosi matematici tra cui Riemann, Möbius,
Klein, Poincaré, Seifert, Jordan (orientabile).
La formulazione del teorema di classificazione, nella forma
che vedremo noi, è di Van Dick (1888) mentre la
dimostrazione è di Brahana (1921).
non compatto: il teorema di classificazione è stato formulato
inizialmente da Kerékjártó (1923) e poi sistemato da
Richards (1962) e Goldmann (1971).
UN PO’ DI STORIA II
• n=3 ancora irrisolto. La ricerca di un teorema di classificazione risale agli inizi
del 1900 (Poincaré). Sono stati fatti tentativi con tecniche molto diverse
fra loro: rivestimenti (Montesinos, Hilden), decomposizioni di Heegaard,
cristallizzazioni (Pezzana), identificazione delle facce di un poliedro.
Negli anni‘70 Thurston introduce un approccio completamente diverso,
che fa uso di strutture geometriche, e formula la sua famosa
Congettura di Geometrizzazione.
Nel 2001 Perelman annuncia una dimostrazione che attualmente è ancora
sotto revisione. Il “Teorema di Geometrizzazione” non darebbe
luogo ad una classificazione delle 3-varietà, ma avvicinerebbe di molto ad una
soluzione del problema.
• n>3 risolto in senso negativo. Nel 1958 Markov dimostra che non può esistere
un algoritmo finito di classificazione utilizzando un risultato di non
esistenza di una classificazione dei gruppi finitamente presentati
(Adjan, 1955).
IL CASO DELLE SUPERFICI
GENERE DI UNA SUPERFICE
SUPERFICI E POLIGONI
Sia E un poligono regolare con
un numero pari di lati e 1 ,e 2 ,… ,e 2n.
1) scegliamo un senso di percorrenza su
ogni lato e chiamiamo Vk il vertice iniziale
del lato k.
2) scegliamo un accoppiamento tra i lati del
poligono.
Sia ~ la relazione di equivalenza sull’insieme
dei punti di E definita da P~P’ se
P=P’ oppure Pєe k ,P’є e h, e k ed e h sono lati
accoppiati e Vk P=V hP’.
A e1
e6
F
e5
B
e2
C
E
e4 D
e1
e4
e2
e5
e3
e6
e3
Quale superficie è?
Allora E/ ~ è una superficie. Verifichiamolo:
[P]={P} se P è interno.
[P]={P,P’} se P e P’ sono punti interni di lati accoppiati.
Infine se P è un vertice del poligono la cardinalità di [P] dipende dalle scelte fatte, ma
in ogni caso è facile verificare che l’unione di opportuni intorni dei punti in [P] è un
disco. Nell’esempio [A]={A,C,E} e [B]={B,D,F}
a
c
b
c
d
b
d
c
a
a
c
b
d
b
d
c
a
d
e
e
d
a
c
d
b
d
c
a
b
a
a
a
c
a
c
e
c
d
d
d
E’ un toro!
e
Osserviamo che i lati del poligono determinano un grafo sulla superficie e tutte
le operazioni fatte (tranne l’ultima) cambiano il grafo, ma non la superficie.
L’ultima operazione consiste in un omeomorfismo di poligoni che passa al
quoziente, determinando quindi un omeomorfismo di superfici.
1)
2)
3)
e
e
c
c
BOTTIGLIA DI KLEIN
BIBLIOGRAFIA
Animazioni:
1) www.matematita.it/materiale/animazioni
2) www.toonz.com/personal/todesco/animations
Articoli e testi:
1) www.uoregon.edu/~koch/math431/surfaces.pdf (dispense Prof. R. Koch superfici)
2) www.uoregon.edu/~koch/math431/LongLine.pdf (dispense Prof. R. Koch Long Line)
3) E. Kónia “On the fundamental theorem of compact and noncompact surfaces”
Annales Mathematicae et Informaticae 32, (2005), 211–224,
www.ektf.hu/tanszek/matematika/ami/2005/konya.pdf (survey sulle superfici).
4) H. Seifert, W. Threlfall “Lehrbuch der Topologie ” (Teubner, 1934),
Bibl. Mat. G - IX 3.
5) S. Lefschetz, “Introduction to topology ” (Princeton University Press, 1949),
Bibl. Mat. II 11.