Том 11. Карты метро и нейронные сети. Теория графов

Если говорить кратко, то топология свободна от жестких структур евклидовой и проективной геометрии. С помощью «непрерывных преобразований» стало возможным моделировать новые фигуры и определять новые категории преобразований. Представим себе треугольник, нарисованный на поверхности шара. При сжатии шара (таком, что шар не ломается) треугольник будет принимать различную форму. Будут изменяться углы и длины сторон, но «сущность» треугольника будет оставаться неизменной: это по-прежнему будет фигура, определяемая тремя точками и тремя отрезками, соединяющими эти точки. Чтобы начать мыслить с топологической точки зрения, нужно представить, что все фигуры сделаны из резины и могут деформироваться. Так, деформацией сферы невозможно получить бублик, но зато бублик будет эквивалентен… чайной чашке.

Удивительная формула Эйлера

Рассмотрим выпуклый п-угольник с вершинами V, V₂,..., V_n и ребрами V₁V₂,..., V₂V₃,...,V_n-1V_n, V_nV₁.

Вне зависимости от длин сторон, величин углов, кривизны ребер и прочих параметров, число ребер будет всегда равно числу вершин многоугольника. Это соотношение столь тривиально, что на него можно даже не обратить внимание. Если сохранить число вершин неизменным и заменить одно из прямых ребер любой простой кривой, это соотношение не изменится.

Перейдем в трехмерное пространство и рассмотрим произвольный выпуклый многогранник, который имеет V вершин, А ребер и С граней. Если посмотреть на этот многогранник изнутри и спроецировать его на большую сферу, внутри которой он находится, то на эту сферу окажутся нанесены линии и соответствующие вершины так, что значения V, А и С останутся неизменными.

Многограннику также можно поставить в соответствие плоский граф, который будет иметь то же число ребер А, то же число вершин V и то же число граней С.

Можно заметить, что при С = 2 получится единственный многоугольник и V = А, либо, что аналогично, С + V = А + 2. Если при С — n число вершин равно V, число ребер — А_n, и мы предположим (по индукции), что n + V_n = А_n + 2, то при С = n + 1 нужно заострить внимание на грани под номером n + 1. Когда число граней станет равным n + 1, к графу с n гранями, V_n вершинами и А_n ребрами добавится некоторое число вершин К и К + 1 ребро. Следовательно,

C + V_n+1 = n + 1 + V_n+ K = (n + V_n) + (K + 1) = (A_n + 2) + (K + 1) = (A_n + K + 1) + 2 = A_n+1 + 2.

Так доказывается знаменитая формула Эйлера, которая звучит следующим образом: в любом выпуклом многограннике выполняется соотношение

С + V = A + 2.

Этот результат может показаться тривиальным, но если немного подумать, то мы увидим, что это соотношение поистине удивительно: оно выполняется для любого выпуклого многогранника независимо от формы его граней, углов на гранях и углов между гранями, от длин ребер и других параметров. Формула, которая выполняется для бесконечно большого числа разнообразных фигур, не может не привлекать внимание. Здесь что-то не так. Практически не существует формул, которые справедливы для столь непохожих фигур.

* * *