Меню Главная Случайная статья Настройки Трёхмерная сфера Материал из https://ru.wikipedia.org Трёхмерная сфера (трёхмерная гиперсфера, иногда 3-сфера) — сфера в четырёхмерном пространстве. Состоит из множества точек, равноудалённых от фиксированной центральной точки в четырёхмерном евклидовом пространстве. Так же, как двумерная сфера, которая образует границу шара в трёх измерениях, 3-сфера имеет три измерения и является границей четырёхмерного шара. Возможно, вселенная имеет форму трехмерной сферы. Содержание 1 Уравнение 2 Свойства 3 Групповая структура 4 Действие группы U(1) и расслоение Хопфа 5 Гомотопические группы сферы 6 Примечания 7 См. также 8 Литература 9 Ссылки Уравнение В декартовых координатах ${\displaystyle (x_{0},x_{1},x_{2},x_{3})}$ трёхмерная сфера радиуса ${\displaystyle r}$ может быть задана уравнением ${\displaystyle (x_{0}-C_{0})^{2}+(x_{1}-C_{1})^{2}+(x_{2}-C_{2})^{2}+(x_{3}-C_{3})^{2}=r^{2}.}$ Рассматривая комплексное пространство ${\displaystyle \mathbb {C} ^{2}}$ как вещественное ${\displaystyle \mathbb {R} ^{4}}$, уравнение сферы может быть рассмотрено как ${\displaystyle S^{3}=\left\{(z_{1},z_{2})\in \mathbb {C} ^{2}:|z_{1}|^{2}+|z_{2}|^{2}=1\right\}.}$ Аналогично, в пространстве кватернионов ${\displaystyle \mathbb {H} ^{1}}$: ${\displaystyle S^{3}=\left\{q\in \mathbb {H} :\|q\|=1\right\}.}$ Являясь трёхмерным многообразием, трёхмерная сфера может быть задана параметрически с использованием трёх координат. Примером являются гиперсферические координаты: ${\displaystyle x_{0}=r\cos \psi ,}$ ${\displaystyle x_{1}=r\sin \psi \cos \theta ,}$ ${\displaystyle x_{2}=r\sin \psi \sin \theta \cos \phi ,}$ ${\displaystyle x_{3}=r\sin \psi \sin \theta \sin \phi .}$ Свойства Трёхмерная сфера ${\displaystyle S^{3}}$ является границей четырёхмерного шара. Трёхмерная сфера является компактным связным трёхмерным многообразием. Трёхмерная сфера односвязна, то есть любая замкнутая кривая на ней может быть непрерывно стянута в точку. Трёхмерная сфера гомеоморфна одноточечной компактификации трёхмерного вещественного пространства ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}$. Групповая структура Являясь множеством единичных кватернионов, трёхмерная сфера наследует групповую структуру. Таким образом, сфера ${\displaystyle S^{3}}$ является группой Ли. Среди ${\displaystyle n}$-мерных сфер таким свойством обладают только ${\displaystyle S^{1}}$ и ${\displaystyle S^{3}}$. Используя матричное представление кватернионов, можно определить представление группы ${\displaystyle S^{3}}$ с помощью матриц Паули: ${\displaystyle x_{1}+x_{2}i+x_{3}j+x_{4}k\mapsto {\begin{pmatrix}\;\;\,x_{1}+ix_{2}&x_{3}+ix_{4}\\-x_{3}+ix_{4}&x_{1}-ix_{2}\end{pmatrix}}.}$ Поэтому группа ${\displaystyle S^{3}}$ изоморфна матричной группе Ли ${\displaystyle \mathrm {SU} (2)}$. Действие группы U(1) и расслоение Хопфа Если определить действие группы ${\displaystyle U(1)}$: ${\displaystyle (z_{1},z_{2})\cdot \lambda =(z_{1}\lambda ,z_{2}\lambda )\quad \forall \lambda \in \mathbb {U} (1),}$ то пространство орбит гомеоморфно двумерной сфере ${\displaystyle S^{2}}$. При этом на сфере ${\displaystyle S^{3}}$ возникает структура расслоения с базой ${\displaystyle S^{2}}$ и слоями, гомеоморфными ${\displaystyle U(1)}$, то есть окружности ${\displaystyle S^{1}}$. Это расслоение называется расслоением Хопфа.[1] Расслоение Хопфа является примером нетривиального главного расслоения. В координатах оно задаётся формулой ${\displaystyle p:(z_{1},z_{2})\mapsto (z_{1}:z_{2}).}$ Точка (z1, z2) сферы ${\displaystyle S^{3}}$ отображается в точку Гомотопические группы сферы Односвязность сферы означает, что первая гомотопическая группа ${\displaystyle \pi _{1}(S^{3})=\{0\}}$. Также нулевой является группа ${\displaystyle \pi _{2}(S^{3})=\{0\}}$. Примечания Постников М. М. Лекции по алгебраической топологии, с. 20. — Москва, Наука, 1984. См. также Гипотеза Пуанкаре Литература Фоменко А. Т., Фукс Д. Б. Курс гомотопической топологии. — М., 1989. Ссылки Weisstein, Eric W. Hypersphere (англ.) на сайте Wolfram MathWorld. (англ.) Примечание: В данной статье используются альтернативные схемы именования для сфер, в которых сфера в N-мерном пространстве называется N-сферой.