Torus

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unterTorus (Begriffsklärung) aufgeführt.
Torus
Die Menge der Punkte mit dem Abstandr{\displaystyle r} von derKreislinie mit RadiusR{\displaystyle R} bilden einen Rotationstorus.

EinTorus (PluralTori, vonlateinischtorus)[1][2] ist einmathematisches Objekt aus derGeometrie und derTopologie. Er ist eine wulstartig geformteFläche mit einem Loch, ähnlich der Gestalt einesRettungsrings,Fahrradschlauchs oderDonuts. Auch einO-Ring (französisch:Joint torique, wörtlich: torische Dichtung) hat die Form eines Torus.

Beispiele für imdreidimensionalenRaum eingebettete Tori sind die Rotationstori. Rotationstori sindRotationsflächen, die man erhält, indem man einenKreis um eine Achse rotieren lässt, die in der Kreisebene liegt und den Kreis nicht schneidet. Falls man nicht nur die Kreislinie, sondern die gesamteKreisfläche rotieren lässt, erhält man einenVolltorus.

Anders ausgedrückt wird ein Rotationstorus aus derjenigenMenge anPunkten gebildet, die von einerKreislinie mit RadiusR{\displaystyle R} den festen Abstandr{\displaystyle r} mitr<R{\displaystyle r<R} haben.

Man erhält den Torus durch Verkleben gegenüberliegender Seiten eines Parallelogramms.

Ein Torus kann auch durch Identifizieren der Seiten eines Parallelogramms konstruiert werden. Dabei wird die rechte Kante desParallelogramms mit seiner linken Kante und die obere mit der unteren Kante verheftet. DieseTopologie benutzen auch viele Computerspiele: Verlässt ein Spielobjekt auf einer Seite das Spielfeld, so taucht es auf der gegenüberliegenden Seite wieder auf.

Beide Konstruktionen sind Spezialfälle der allgemeinen mathematischen Definition, die einen Torus als dastopologische Produkt zweier Kreise definiert. Dieser Begriff spielt in zahlreichen Gebieten derMathematik eine Rolle, nebenTopologie undDifferentialgeometrie ist er unter anderem in derFourier-Analysis, der Theoriedynamischer Systeme (invariante Tori in derHimmelsmechanik), derFunktionentheorie und der Theorieelliptischer Kurven von Bedeutung.

Rotationstori liefern eine konkreterotationssymmetrische Realisierung dieser Fläche imdreidimensionaleneuklidischen Raum. Von besonderer Wichtigkeit für viele Anwendungen in theoretischerMathematik undPhysik sind sogenannte flache Tori und ihre Einbettung in denvierdimensionalenRaum. Diese haben dieKrümmung null und die maximal möglicheSymmetrie.

Der Torus ist einezweidimensionaleFläche. Allgemeiner betrachtet man in derMathematik auch denn{\displaystyle n}-Torus, eine den zweidimensionalen Torus verallgemeinernden{\displaystyle n}-dimensionaleMannigfaltigkeit. Davon abweichend finden sich in der deutschsprachigen Literatur gelegentlich auch die Bezeichnungen Doppeltorus, Tripeltorus etc. für Flächen mit zwei, drei und mehr Löchern.

Inhaltsverzeichnis

Volumen

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DasVolumen des Volltorus, der vom Torus ummantelt wird, lässt sich alsVolumenintegral über dieJacobi-Determinante (dieDeterminante der Funktionalmatrix) berechnen. DieJacobi-Matrix zur Parametrisierung des Torus lässt sich wie folgt angeben:

Jf=(x,y,z)(r,t,p)=(rxtxpxrytypyrztzpz)=(cos(t)cos(p)Rsin(t)rsin(t)cos(p)rcos(t)sin(p)sin(t)cos(p)Rcos(t)+rcos(t)cos(p)rsin(t)sin(p)sin(p)0rcos(p)){\displaystyle J_{f}={\frac {\partial \left(x,y,z\right)}{\partial \left(r,t,p\right)}}={\begin{pmatrix}\partial _{r}x&\partial _{t}x&\partial _{p}x\\\partial _{r}y&\partial _{t}y&\partial _{p}y\\\partial _{r}z&\partial _{t}z&\partial _{p}z\\\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cos(t)\cos(p)&-R\sin(t)-r\sin(t)\cos(p)&-r\cos(t)\sin(p)\\\sin(t)\cos(p)&R\cos(t)+r\cos(t)\cos(p)&-r\sin(t)\sin(p)\\\sin(p)&0&r\cos(p)\end{pmatrix}}}

Daraus folgt:

det(Jf)=r(rcos(p)+R){\displaystyle \det(J_{f})=r\cdot \left(r\cos(p)+R\right)}

DieFunktionaldeterminante ist hier also gleich derNorm des Flächennormalenvektors.

V=VdV=Γdet(Jf) dΓ=02π02π0r(Rr+r2cos(p)) dr dp dt=2π2r2R{\displaystyle V=\int _{V}\mathrm {d} V=\int _{\Gamma }\det(J_{f})\ \mathrm {d} \Gamma =\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{r}\left(Rr+r^{2}\cos(p)\right)\ \mathrm {d} r\ \mathrm {d} p\ \mathrm {d} t=2\pi ^{2}r^{2}R}

Man erhält also für das Volumen des VolltorusV=2π2r2R{\displaystyle V=2\pi ^{2}r^{2}R}.

DieFormel für dasVolumen lässt sich so interpretieren, dass dieKreisflächeAr=πr2{\displaystyle A_{r}=\pi r^{2}} mit demUmfangUR=2πR{\displaystyle U_{R}=2\pi R}multipliziert wird (sieheZweite Guldinsche Regel). Dies kann man zum Verständnis in Analogie zumZylindervolumenVzyl=πr2l{\displaystyle V_{\text{zyl}}=\pi r^{2}l} setzen. Mit demFlächeninhalt der Oberfläche verhält es sich genauso, hier werden die UmfängeUr=2πr{\displaystyle U_{r}=2\pi r} undUR=2πR{\displaystyle U_{R}=2\pi R} miteinander multipliziert (sieheErste Guldinsche Regel). Dies steht ebenfalls in Analogie zurZylinderoberflächeOzyl=2πrl{\displaystyle O_{\text{zyl}}=2\pi rl}.

Betrachtet man nur den inneren Teil des Torus, der von derz{\displaystyle z}-Achse einenAbstand kleiner gleichR{\displaystyle R} hat, ergibt sich dasVolumen

02ππ23π20r(Rr+r2cos(p)) dr dp dt=πr2(πR4r3){\displaystyle \int _{0}^{2\pi }\int _{\tfrac {\pi }{2}}^{\tfrac {3\pi }{2}}\int _{0}^{r}\left(Rr+r^{2}\cos(p)\right)\ \mathrm {d} r\ \mathrm {d} p\ \mathrm {d} t=\pi r^{2}\left(\pi R-{\tfrac {4r}{3}}\right)}

Der äußere Teil des Torus, der von derz{\displaystyle z}-Achse einenAbstand größer gleichR{\displaystyle R} hat, hat dasVolumen

02π3π2π20r(Rr+r2cos(p)) dr dp dt=πr2(πR+4r3){\displaystyle \int _{0}^{2\pi }\int _{\tfrac {3\pi }{2}}^{\tfrac {\pi }{2}}\int _{0}^{r}\left(Rr+r^{2}\cos(p)\right)\ \mathrm {d} r\ \mathrm {d} p\ \mathrm {d} t=\pi r^{2}\left(\pi R+{\tfrac {4r}{3}}\right)}

Oberfläche

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Die Oberfläche des Torus mit der obigenParameterdarstellung ist

AO=4π2rR{\displaystyle A_{O}=4\pi ^{2}rR}

DieseFormel lässt sich entweder mit derErsten Guldinschen Regel herleiten aus

AO=2πr2πR{\displaystyle A_{O}=2\pi r\cdot 2\pi R}

oder mit Hilfe desOberflächenintegrals

AO=dA=t=02πp=02πr(R+rcos(p)) dp dt{\displaystyle A_{O}=\iint \mathrm {d} A=\int _{t=0}^{2\pi }\int _{p=0}^{2\pi }r(R+r\cos(p))\ \mathrm {d} p\ \mathrm {d} t}

berechnen. Dabei istdA=r(R+rcos(p)) dp dt{\displaystyle \mathrm {d} A=r(R+r\cos(p))\ \mathrm {d} p\ \mathrm {d} t} dasOberflächenelement des Torus in der obigenParameterdarstellung.

Der Torusberandet einen 3-dimensionalenVolltorus. DasVolumen des Volltorus beträgtV=2π2r2R{\displaystyle V=2\pi ^{2}r^{2}R} (sieheZweiten Guldinschen Regel).

Betrachtet man nur den inneren Teil des Torus, der von derz{\displaystyle z}-Achse einenAbstand kleiner gleichR{\displaystyle R} hat, ergibt sich die Oberfläche

t=02πp=π23π2r(R+rcos(p)) dp dt=2πr(πR2r){\displaystyle \int _{t=0}^{2\pi }\int _{p={\tfrac {\pi }{2}}}^{\tfrac {3\pi }{2}}r(R+r\cos(p))\ \mathrm {d} p\ \mathrm {d} t=2\pi r\left(\pi R-2r\right)}

Der äußere Teil des Torus, der von derz{\displaystyle z}-Achse einenAbstand größer gleichR{\displaystyle R} hat, hat die Oberfläche

t=02πp=3π2π2r(R+rcos(p)) dp dt=2πr(πR+2r){\displaystyle \int _{t=0}^{2\pi }\int _{p={\tfrac {3\pi }{2}}}^{\tfrac {\pi }{2}}r(R+r\cos(p))\ \mathrm {d} p\ \mathrm {d} t=2\pi r\left(\pi R+2r\right)}

Torus als Rotationsfläche

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Ein radial …
… und ein entlang der Kreislinie mit RadiusR{\displaystyle R} aufgeschnittener Torus in 3D

Ein Rotationstorus ist eineRotationsfläche, die durchRotation einesKreises um eine in der Kreisebene liegende und den Kreis nicht schneidendeRotationsachse erzeugt wird.[3][4][5] Ein Rotationstorus kann alsMenge derPunkte beschrieben werden, die von einer Kreislinie mit RadiusR{\displaystyle R} den festenAbstandr{\displaystyle r} haben, wobeir<R{\displaystyle r<R} ist. In kartesischenKoordinatenx,y,z{\displaystyle x,y,z} mit derz{\displaystyle z}-Achse als Rotationsachse und denMittelpunkten des rotierenden Kreises in derxy{\displaystyle xy}-Ebene wird er durch die Gleichung:(x2+y2R)2+z2=r2{\displaystyle \left({\sqrt {x^{2}+y^{2}}}-R\right)^{2}+z^{2}=r^{2}}

beschrieben. Durch Beseitigen der Wurzel ergibt sich die Gleichung 4. Grades

(x2+y2+z2+R2r2)2=4R2(x2+y2).{\displaystyle \left(x^{2}+y^{2}+z^{2}+R^{2}-r^{2}\right)^{2}=4R^{2}\left(x^{2}+y^{2}\right).}

Man kann in der Torusoberfläche eine toroidaleKoordinatet{\displaystyle t} und eine dazu senkrechte poloidale Koordinatep{\displaystyle p} einführen. Man denkt sich den Torus als durch einenKreis entstanden, der um eine in der Kreisebene liegende Achse rotiert wird. Den Radius des ursprünglichen Kreises nennen wirr{\displaystyle r}, dieser Kreis bildet auch gleichzeitig eineKoordinatenlinie vonp{\displaystyle p}. Den Abstand desKreismittelpunkts von der Achse nennen wirR,{\displaystyle R,} die Koordinatenlinien vont{\displaystyle t} sind Kreise um dieDrehachse. Beide Koordinaten sind Winkel und laufen von0{\displaystyle 0} bis2π{\displaystyle 2\pi }.

Parametrisierung

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Die Umrechnung von Toruskoordinaten inkartesische Koordinaten erfolgt so:

(xyz)=R(cos(t)sin(t)0)+r(cos(t)cos(p)sin(t)cos(p)sin(p))=((R+rcos(p))cos(t)(R+rcos(p))sin(t)rsin(p)){\displaystyle {\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}}=R\cdot {\begin{pmatrix}\cos(t)\\\sin(t)\\0\end{pmatrix}}+r\cdot {\begin{pmatrix}\cos(t)\cdot \cos(p)\\\sin(t)\cdot \cos(p)\\\sin(p)\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}(R+r\cdot \cos(p))\cos(t)\\(R+r\cdot \cos(p))\sin(t)\\r\cdot \sin(p)\end{pmatrix}}}

Toruskoordinaten sind in der Kernfusionstechnologie von Bedeutung, sieheKernfusionsreaktor.

Ebene Schnitte

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  1. Schnitte mitEbenen, diedieRotationsachse enthalten, sind Kreispaare.
  2. Schnitte mit Ebenen, diezur Rotationsachse senkrecht sind, sind Kreispaare oder einKreis oder leer.
  3. Einezur Rotationsachse parallele Ebene schneidet aus einem Torus einespirische Kurve aus. In Sonderfällen kann dies eineCassinische Kurve sein.
  4. Einegeneigte Ebene, die zwei Erzeugerkreise berührt, schneidetVillarceau-Kreise aus.

Tori in der Darstellenden Geometrie

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In derDarstellenden Geometrie verwendet man Teile eines Torus zur Konstruktion von Übergangsflächen zwischenZylindern. Die Darstellung eines Torus durch seinen Umriss findet man inUmrisskonstruktionen.

Allgemeine Definition

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Der 2-dimensionale Torus als Produkt zweier Kreise

MitS1{\displaystyle \mathbb {S} ^{1}} werde derKreis (die1-Sphäre) bezeichnet. Dern{\displaystyle n}-Torus ist dann definiert durch

Tn:=S1××S1n mal{\displaystyle \mathbb {T} ^{n}:=\underbrace {\mathbb {S} ^{1}\times \cdots \times \mathbb {S} ^{1}} _{n\ {\text{mal}}}},

wobei×{\displaystyle \times } dasProdukt topologischer Räume ist. Die im vorhergehenden Abschnitt beschriebeneRotationsfläche ist ein 2-Torus. Der 2-Torus wird meist einfach Torus genannt.[6]

Topologische Eigenschaften

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Struktur einer Mannigfaltigkeit

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Dern{\displaystyle n}-Torus ist einetopologische Mannigfaltigkeit. Dies folgt aus der Tatsache, dass dern{\displaystyle n}-Torus dastopologische Produkt ausn{\displaystyle n} 1-Sphären ist und die 1-Sphäre selbst eine topologische Mannigfaltigkeit ist. Die 1-Sphäre ist zusätzlich auch einedifferenzierbare Mannigfaltigkeit und, da dasProdukt differenzierbarer Mannigfaltigkeiten wieder eine differenzierbare Mannigfaltigkeit ergibt, ist dern{\displaystyle n}-Torus ebenfalls eine differenzierbare Mannigfaltigkeit.[7] DieDimension vonTn{\displaystyle \mathbb {T} ^{n}} ist gleichn{\displaystyle n}.

Topologische Eigenschaften

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Ebenfalls direkt aus der Definition folgt, dass dern{\displaystyle n}-Toruskompakt ist. Außerdem ist erwegzusammenhängend. Im Gegensatz zurn{\displaystyle n}-Sphäre ist dern{\displaystyle n}-Torus fürn>1{\displaystyle n>1} nichteinfach zusammenhängend.

DieAbbildungq:RnTn{\displaystyle q\colon \mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {T} ^{n}}, definiert durch(xj)j(exp(2πixj))j{\displaystyle (x_{j})_{j}\mapsto (\exp(2\pi \mathrm {i} x_{j}))_{j}}, ist dieuniverselle Überlagerung desn{\displaystyle n}-Torus.[8]

Lie-Gruppe

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Die 1-Sphäre, aufgefasst alsKreisgruppe, ist außerdem eineLie-Gruppe. Da dasProdukt mehrerer Lie-Gruppen mit der komponentenweisenMultiplikation wieder eine Lie-Gruppe ist, ist auch dern{\displaystyle n}-Torus eine Lie-Gruppe.[9]

Eingebettete Tori

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Flache Tori

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Modell eines flachen Torus: Das Papier muss nur gebogen, nicht gestreckt werden.

Da die KreislinieS1{\displaystyle \mathbb {S} ^{1}} offensichtlich in denR2{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}eingebettet werden kann, kann dern{\displaystyle n}-TorusTn:=S1××S1R2n{\displaystyle \mathbb {T} ^{n}:=\mathbb {S} ^{1}\times \cdots \times \mathbb {S} ^{1}\subset \mathbb {R} ^{2n}} alsTeilmenge deseuklidischen RaumsR2n{\displaystyle \mathbb {R} ^{2n}} aufgefasst werden. Man betrachtet aufTn{\displaystyle \mathbb {T} ^{n}} dieriemannsche Metrikg{\displaystyle g}, die durch dieeuklidische Metrik des RaumsR2n{\displaystyle \mathbb {R} ^{2n}} auf demn{\displaystyle n}-Torus induziert wird. DieseMetrikg{\displaystyle g} istflach, das heißt, dern{\displaystyle n}-Torus ist lokalisometrisch zu einerUmgebung desRn{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}.[10] Insbesondere ist daher seineSchnittkrümmung überall konstant null. Da dern{\displaystyle n}-Torus kompakt und somit auchvollständig ist, ist er eineflache Mannigfaltigkeit. Man spricht daher auch von einem flachenn{\displaystyle n}-Torus. Ein flacher2-TorusT2=S1×S1{\displaystyle \mathbb {T} ^{2}=\mathbb {S} ^{1}\times \mathbb {S} ^{1}} kann nicht längentreu auf einen Rotationstorus imR3{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}} abgebildet werden, denn die Schnittkrümmung des Rotationstorus ist nicht überall null wie beim flachen2-Torus.

Es gibt neben der oben beschriebenen noch weitere flacheMetriken auf dem Torus. Flache2-Tori können beschrieben werden durch einParallelogramm, dessen gegenüberliegende Seiten zusammengeklebt werden. Äquivalent dazu können flache Tori als topologischeFaktorgruppenR2/(Zv+Zw){\displaystyle \mathbb {R} ^{2}/(\mathbb {Z} \cdot v+\mathbb {Z} \cdot w)} für zweilinear unabhängigeVektorenv,wR2{\displaystyle v,w\in \mathbb {R} ^{2}} beschrieben werden. Im Spezialfallv=(1,0){\displaystyle v=(1,0)} undw=(0,1){\displaystyle w=(0,1)} erhält man denQuotientenR2/Z2(R/Z)2{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}/\mathbb {Z} ^{2}\cong (\mathbb {R} /\mathbb {Z} )^{2}}.

Elliptische Kurven über denkomplexen Zahlen lassen sich mittels der Weierstraßschen Parametrisierung alsC/L{\displaystyle \mathbb {C} /L} für einGitterLC{\displaystyle L\subset \mathbb {C} } darstellen und sind dadurch (mit einertranslationsinvariantenMetrik) Beispiele für flache Tori. DerModulraum derelliptischen Kurven oder äquivalent der flachen2-Tori ist die sogenannteModulkurve.

Tori im dreidimensionalen Raum

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Eine 2-mal differenzierbare Einbettung des Torus in dendreidimensionalenRaum kann nicht flach sein, weil die lokalenExtrema Punkte positiverKrümmung sein müssen. Nach demEinbettungssatz von Nash gibt es jedochfraktale (nur 1-maldifferenzierbare) Einbettungen des flachen Torus in den dreidimensionalenRaum. Diese können auch numerisch konstruiert werden.[11][12]

Ein Rotationstorus ist ein imR3{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}} eingebetteter 2-Torus, der alsMenge derPunkte beschrieben werden kann, die von einer Kreislinie mitRadiusR{\displaystyle R} den festenAbstandr{\displaystyle r} haben, wobeir<R{\displaystyle r<R} ist.

Clifford-Tori

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Ein Clifford-Torus ist ein spezieller inS3R4{\displaystyle S^{3}\subset \mathbb {R} ^{4}} eingebetteter Torus. Nach der IdentifizierungR4=C2{\displaystyle \mathbb {R} ^{4}=\mathbb {C} ^{2}} undS3={(z,w)C2:|z|2+|w|2=1}{\displaystyle S^{3}=\left\{(z,w)\in \mathbb {C} ^{2}\colon |z|^{2}+|w|^{2}=1\right\}} lässt sich der Standard-Cliffordtorus beschreiben als

T:={(z,w)C2:|z|=|w|=12}S3{\displaystyle T:=\left\{(z,w)\in \mathbb {C} ^{2}\colon |z|=|w|={\frac {1}{\sqrt {2}}}\right\}\subset S^{3}}.

Weiters werden die Bilder vonT{\displaystyle T} unter Isometrien der Standard-MetrikAO(3)=Isom(S3){\displaystyle A\in O(3)=\operatorname {Isom} (S^{3})} als Clifford-Tori bezeichnet.

Mittelsstereographischer Projektion kann man Clifford-Tori auch als in denR3{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}} eingebettete Tori auffassen.

Ein Clifford-Torus ist eineMinimalfläche bzgl. derStandardmetrik auf derS3{\displaystyle S^{3}}. Die vonBrendle bewieseneLawson-Vermutung besagt, dass jeder als Minimalfläche in dieS3{\displaystyle S^{3}} eingebettete Torus ein Clifford-Torus ist.

Konstruktion aus einem Quadrat oder Würfel

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Konstruktion zweidimensionaler Tori aus einem Quadrat oder Parallelogramm

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Den Torus erhält man aus einem Quadrat durch Verkleben gegenüberliegender Seiten.
Eigenschaften des 3-Torus

Im Gegensatz zur Oberfläche einerKugel kann der Torus ohneSingularitäten auf einer ebenen,rechteckigenFläche abgebildet werden.

Dabei wird die rechte Kante desRechtecks oderQuadrats mit seiner linken Kante verheftet und seine untere Kante wird mit seiner oberen Kante verheftet. Diese Konstruktion funktioniert auch mit einem beliebigenParallelogramm. DieseTopologie besitzen auch viele Computerspiele, zum BeispielAsteroids oderPac-Man: Verlässt ein Spielobjekt auf einer Seite das Spielfeld, so taucht es auf der gegenüberliegenden Seite wieder auf.

Konstruktion höherdimensionaler Tori aus einem Würfel oder Parallelepiped

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Beimdreidimensionalen Torus oder 3-Torus handelt es sich um einenQuader oderWürfel, dessen sechs gegenüberliegende Flächen paarweise miteinander verheftet sind.

Beimvierdimensionalen Torus oder 4-Torus handelt es sich um einenTesserakt, dessen acht gegenüberliegendeWürfel paarweise miteinander verheftet sind.

Allgemein ist dern{\displaystyle n}-dimensionale Torus einn{\displaystyle n}-dimensionaler Würfel[0,1]n{\displaystyle [0,1]^{n}}, dessen gegenüberliegende(n1){\displaystyle (n-1)}-Hyperwürfel paarweise miteinander identifiziert sind. Man kann ihn auch alsRn/Zn{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}/\mathbb {Z} ^{n}} darstellen.

Auch hier kann man statt einesn{\displaystyle n}-dimensionalenWürfels ein beliebigesn{\displaystyle n}-dimensionalesParallelepiped verwenden, um durch Identifizieren der Seiten einenn{\displaystyle n}-dimensionalen Torus zu konstruieren.

Sieben-Farben-Satz

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Animation eines Torus. Die Oberfläche ist in 7 Gebiete mit verschiedenen Farben aufgeteilt.
Die Oberfläche eines Torus kann so in 7 Gebiete aufgeteilt werden, dass sich jeweils zwei Gebiete berühren. Um diese Landkarte so einzufärben, dass keine zwei angrenzenden Gebiete die gleiche Farbe bekommen, sind daher 7 Farben nötig.

Der Sieben-Farben-Satz für den Torus besagt, dass 7 Farben immer ausreichen, eine beliebige Landkarte auf der Oberfläche eines Torus so einzufärben, dass keine zwei angrenzenden Länder die gleiche Farbe bekommen.

Das bedeutet, dass jederGraph, der in den Torus eingebettet werden kann, einechromatische Zahl von höchstens 7 hat (sieheKnotenfärbung). Weil dervollständige GraphK7{\displaystyle K_{7}} in den Torus eingebettet werden kann, ist die chromatische Zahl gleich 7.[13][14]

In derEbene oder auf einerKugeloberfläche reichen weniger Farben. DerVier-Farben-Satz besagt, dass vier Farben immer ausreichen, eine beliebige Landkarte in dereuklidischen Ebene so einzufärben, dass keine zwei angrenzenden Länder die gleiche Farbe bekommen.[15][16]

Algebraischer Torus

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In der Theoriealgebraischer Gruppen wirdTorus in einem anderen Sinn verwendet. Dort ist damit eineGruppe gemeint, dieisomorph zu einem endlichenProdukt von Kopien dermultiplikativen Gruppe einesKörpers ist. Zur Abgrenzung spricht man dann von einemalgebraischen Torus im Gegensatz zu einemtopologischen Torus.

So ist zum Beispiel in der torischenGeometrie, dem Studiumtorischer Varietäten, einTorus üblicherweise einalgebraischer Torus.[17]

Anwendungsbeispiele

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Horntorus, z. B. eine Figur der Würfelverdoppelung, zur Verdeutlichung ist der Horntorus dargestellt als eine Aneinanderreihung gleicher Kreise, Animation mit 15 s Pause.
Daraus ergeben sich dasVolumen und dieOberfläche:
Volumen:V=2π2r2R=2π2(8 cm)230 cm37899 cm3=37,899 dm3=0,037899 m3{\displaystyle V=2\cdot \pi ^{2}\cdot r^{2}\cdot R=2\cdot \pi ^{2}\cdot (8\ \mathrm {cm} )^{2}\cdot 30\ \mathrm {cm} \approx 37899\ \mathrm {cm^{3}} =37{,}899\ \mathrm {dm^{3}} =0{,}037899\ \mathrm {m^{3}} }
Oberfläche:AO=4π2rR=4π28 cm30 cm9475 cm2=94,75 dm2=0,9475 m2{\displaystyle A_{O}=4\cdot \pi ^{2}\cdot r\cdot R=4\cdot \pi ^{2}\cdot 8\ \mathrm {cm} \cdot 30\ \mathrm {cm} \approx 9475\ \mathrm {cm^{2}} =94{,}75\ \mathrm {dm^{2}} =0{,}9475\ \mathrm {m^{2}} }

Siehe auch

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Literatur

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  • Marcel Berger:Geometry I. Translated from the 1977 French original by M. Cole and S. Levy. Universitext. Springer-Verlag, Berlin 2009,ISBN 978-3-540-11658-5.
  • Anatole Katok, Vaughn Climenhaga:Lectures on surfaces. (Almost) everything you wanted to know about them. Student Mathematical Library, 46. American Mathematical Society, Providence, RI; Mathematics Advanced Study Semesters, University Park, PA 2008,ISBN 978-0-8218-4679-7.

Weblinks

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Wiktionary: Torus – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Torus – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  1. Karl Ernst Georges:torus. [1]. In:Ausführliches lateinisch-deutsches Handwörterbuch. 8., verbesserte und vermehrte Auflage.Band 2. Hahnsche Buchhandlung, Hannover 1918,Sp. 3158–3159 (Digitalisat.zeno.org). 
  2. Es gibt einige andere heute nicht mehr gebräuchliche historische Verwendungen des BegriffsTorus:Torus. In:Herders Conversations-Lexikon. 1. Auflage.Band 5. Herder, Freiburg im Breisgau 1857,S. 500 (Digitalisat.zeno.org). Torus. In:Heinrich August Pierer, Julius Löbe (Hrsg.):Universal-Lexikon der Gegenwart und Vergangenheit. 4. Auflage.Band 17:Stückgießerei–Türkische Regenkugel. Altenburg 1863,S. 707 (Digitalisat.zeno.org). Torus. In:Meyers Großes Konversations-Lexikon. 6. Auflage.Band 19:Sternberg–Vector. Bibliographisches Institut, Leipzig / Wien 1909,S. 631 (Digitalisat.zeno.org). Torus. In:Brockhaus’ Kleines Konversations-Lexikon. 5. Auflage.Band 2. Brockhaus, Leipzig 1911,S. 851 (Digitalisat.zeno.org). Torus. In:Encyclopædia Britannica. 11. Auflage.Band 27:Tonalite – Vesuvius. London 1911,S. 79 (englisch,Volltext [Wikisource]). 
  3. Ilja N. Bronstein, Konstantin A. Semendjajew:Taschenbuch der Mathematik. Harri Deutsch Verlag, 1983,ISBN 3-87144-492-8, S. 253.
  4. Ulrich Graf,Martin Barner:Darstellende Geometrie. Quelle & Meyer, Heidelberg 1961,ISBN 3-494-00488-9, S. 202, 209.
  5. C. Leopold:Geometrische Grundlagen der Architekturdarstellung. Verlag W. Kohlhammer, Stuttgart 2005,ISBN 3-17-018489-X, S. 123, 129.
  6. John M. Lee:Introduction to Smooth Manifolds (=Graduate Texts in Mathematics 218.) Springer-Verlag, New York NY u. a. 2003,ISBN 0-387-95448-1, S. 8.
  7. John M. Lee:Introduction to Smooth Manifolds (=Graduate Texts in Mathematics 218.) Springer-Verlag, New York NY u. a. 2003,ISBN 0-387-95448-1, S. 21.
  8. Tammo tom Dieck:Topologie. de Gruyter, Berlin 2000,ISBN 3-11-016236-9, S. 52.
  9. John M. Lee:Introduction to Smooth Manifolds (=Graduate Texts in Mathematics 218.) Springer-Verlag, New York NY u. a. 2003,ISBN 0-387-95448-1, S. 39.
  10. John M. Lee:Introduction to Smooth Manifolds (=Graduate Texts in Mathematics 218.) Springer-Verlag, New York NY u. a. 2003,ISBN 0-387-95448-1, S. 289.
  11. V. Borrelli, S. Jabrane, F. Lazarus, B. Thibert:Flat tori in three-dimensional space and convex integration. (Memento vom 1. Juli 2012 imInternet Archive; PDF) In:Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012, 109, no. 19, S. 7218–7223; abgerufen am 7. Juli 2022.
  12. Mathématiques: première image d’un tore plat en 3D.CNRS, Pressemitteilung, 20. April 2012, abgerufen am 7. Juli 2022.
  13. Eric W. Weisstein:Torus Coloring. In:MathWorld (englisch).
  14. Chelsey Poettker:Topology and the Four Color Theorem. (PDF; 0,4 MB) Southern Illinois University Edwardsville, 4. Mai 2010; abgerufen am 7. Juli 2022.
  15. Eric W. Weisstein:Four-Color Theorem. In:MathWorld (englisch).
  16. Neil Robertson, Daniel P. Sanders, Paul Seymour, Robin Thomas, Georgia Institute of Technology:The Four Color Theorem. 13. November 1995, abgerufen am 7. Juli 2022.
  17. Oda:Lectures on Torus Embeddings and Applications. 1978,1.1 Algebraic tori.
  18. Eric W. Weisstein:Horn Torus. In:MathWorld (englisch).
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