莫比烏斯帶

公元1858年，德國數學家莫比烏斯（Mobius，1790～1868）和約翰·李斯丁發現：把一根紙條扭轉180°後，兩頭再粘接起來做成的紙帶圈，具有魔術般的性質。普通紙帶具有兩個面（即雙側曲面），一個正面，一個反面，兩個面可以塗成不同的顏色；而這樣的紙帶只有一個面（即單側曲面），一隻小蟲可以爬遍整個曲面而不必跨過它的邊緣。這種紙帶被稱為“莫比烏斯帶”（也就是說，它的曲面從兩個減少到只有一個）。

基本介紹

• 中文名：莫比烏斯帶
• 外文名：Möbius strip/Mobius Band
• 別名：莫比烏斯環
• 發現人：莫比烏斯和約翰·李斯丁
• 相似物：克萊因瓶
• 套用：數學符號 無窮符號∞

製作方法

拿一張白的長紙條，把一面塗成黑色，然後把其中一端扭轉180°，就成為一個莫比烏斯帶。用剪刀沿紙帶的中央把它剪開。紙帶不僅沒有一分為二，反而剪出一個兩倍長的紙圈。

莫比烏斯圈

新得到的這個較長的紙圈，本身卻是一個雙側曲面，它的兩條邊界自身雖不打結，但卻相互套在一起。把上述紙圈，再一次沿中線剪開，這回可真的一分為二了，得到的是兩條互相套著的紙圈，而原先的兩條邊界，則分別包含於兩條紙圈之中，只是每條紙圈本身並不打結罷了。

相反，拿一張白的長紙條，把一面塗成黑色，把其中一端360度翻一個身，粘成一個雙側曲面。用剪刀沿紙帶的中央把它剪開。紙帶不僅沒有一分為二，反而剪出兩個環套環的雙側曲面。

莫比烏斯帶還有更為奇異的特性。一些在平面上無法解決的問題，卻不可思議地在莫比烏斯帶上獲得了解決。

比如在普通空間無法實現的"手套易位"問題：人左右兩手的手套雖然極為相像，但卻有著本質的不同。我們不可能把左手的手套完全貼合於右手；也不能把右手的手套完全貼合於左手。無論你怎么扭來轉去，左手套永遠是左手套，右手套也永遠是右手套！不過，倘若你把它搬到莫比烏斯帶上來，那么解決起來就易如反掌了。

在自然界有許多物體也類似於手套那樣，它們本身具備完全相像的對稱部分，但一個是左手系的，另一個是右手系的，它們之間有著極大的不同。

拓展

製作過程中把紙帶一端旋轉180度可以，旋轉540度、900度……都符合莫比烏斯帶的定義。

和幾何學關係

可以用參數方程式創造出立體莫比烏斯帶（如右下圖）

這個方程組可以創造一個邊長為1半徑為1的莫比烏斯帶，所處位置為x-y面，中心為（0，0，0）。參數

u在v從一個邊移動到另一邊的時候環繞整個帶子。

從拓撲學上來講，莫比烏斯帶可以定義為矩陣[0,1]×[0,1]，邊由在0≤x≤1的時候（x,0）~（1-x,1）決定。

莫比烏斯帶的參數方程

莫比烏斯帶是一個二維的緊緻流形（即一個有邊界的面），可以嵌入到三維或更高維的流形中。它是一個不可定向的的標準範例，可以看作RP#RP。同時也是數學上描繪纖維叢的例子之一。特別地，它是一個有一纖維單位區間，I= [0,1]的圓S上的非平凡叢。僅從莫比烏斯帶的邊緣看去給出S上一個非平凡的兩個點（或Z₂）的從。

拓撲變換

莫比烏斯帶是一種拓展圖形，它們在圖形被彎曲、拉大、縮小或任意的變形下保持不變，只要在變形過程中不使原來不同的點重合為同一個點，又不產生新點。換句話說，這種變換的條件是：在原來圖形的點與變換了圖形的點之間存在著一一對應的關係，並且鄰近的點還是鄰近的點。這樣的變換叫做拓撲變換。拓撲有一個形象說法——橡皮幾何學。因為如果圖形都是用橡皮做成的，就能把許多圖形進行拓撲變換。例如一個橡皮圈能變形成一個圓圈或一個方圈。但是一個橡皮圈不能由拓撲變換成為一個阿拉伯數字8。因為不把圈上的兩個點重合在一起，圈就不會變成8，“莫比烏斯帶”正好滿足了上述要求。

旋轉緯度的分析

傳統的三維世界裡，所有的維度都是直線式的，但如果將旋轉視為一種緯度，則相對容易對莫比烏斯帶進行解釋。

從莫比烏斯帶的結構來看，它包含了一個水平360度旋轉的維度，同時包含了一個垂直方向上360度旋轉的維度，加上帶子本身的平面（x,y）維度，莫比烏斯帶總共是四個維度。

兩個旋轉緯度的關係

如果垂直方向上旋轉的度數繼續增加，只會增加莫比烏斯帶纏繞的圈數，並不會額外增加空間的維度。

垂直方向上增加維度的示意