위상수학의 이해
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위상수학은 공간(Topological Space)의 연속변형(Homeomorphism)에 의해 변하지 않는 성질(Topological Invariant)을 다루는 수학의 한 분야이다.
연속변형과 위상동형이란?
연속 변형이란 마치 찰흙을 다루듯이 공간을 늘리거나 휘거나 하는 방법으로 변화 시키는 것을 이야기한다. 하지만 자르거나 붙이는 것은 연속 변형이라고 하지 않는다. 그러므로 기하학(Geometry)에서 중요한 성질인 거리나 각도는 위상수학에서는 구별되지 않는다. 다음은 머그컵에서 도너츠로의 다시 도너츠에서 머그컵으로의 연속변형을 보여준다.
머그컵과 도너츠와 같이 연속변형에 의해 서로 변할 수 있는 공간을 위상동형(Homeomorphic or Topologically Equivalent)이라고 한다. 그러므로 "머그컵과 도너츠는 위상동형이다."
우리는 기본적으로 다음과 같은 질문을 가질 수 있다. 이것이 위상수학이 풀고 싶은 가장 기본적인 문제일 것이다.
주어진 두 위상공간이 위상동형인가 아니면 위상적으로 다른 공간인가?
두 위상공간이 같은 혹은 위상동형이라는 것을 증명하기 위해서는 위의 그림과 같은 연속변형을 보여주면 된다. 만약 두 위상공간이 다르다는 것을 증명하고 싶다면 두 공간은 어떠한 연속변형을 통해서도 변할 수 없다는 것을 증명해야 한다. 연속변형의 방법은 무한하기 때문에 모든 연속 변형을 체크하는 것은 일반적으로 쉬운 일이 아니다. 위상 불변성은 이러한 문제를 해결해 준다.
이 두 도넛이 다른 위상공간이라는 것을 어떻게 증명할까?
위상 불변성(Topological Invariant)이란?
두 공간이 서로 다르다는 것을 증명하기 위해서 수학자들은 위상불변성을 이용한다. 위상불변성이란 위상변형에 의해서 바뀌지 않는 어떠한 대수(Algebra)적인 양을 이야기 한다.
다시 위의 예제로 돌아가서 위상 동형인 머그컵과 도너츠는 어떠한 같은(변하지 않는) 성질이 있을까?
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