Общая топология. Топология компьютерных сетей

Содержание статьи

ТОПОЛОГИЯ, раздел математики, занимающийся изучением свойств фигур (или пространств), которые сохраняются при непрерывных деформациях, таких, например, как растяжение, сжатие или изгибание. Непрерывная деформация – это деформация фигуры, при которой не происходит разрывов (т.е. нарушения целостности фигуры) или склеиваний (т.е. отождествления ее точек). Такие геометрические свойства связаны с положением, а не с формой или величиной фигуры. В отличие от евклидовой и римановой геометрий, геометрии Лобачевского и других геометрий, занимающихся измерением длин и углов, топология имеет неметрический и качественный характер. Раньше она носила названия «анализ ситус» (анализ положения), а также «теория точечных множеств». В научно-популярной литературе топологию часто называют «геометрией на резиновом листе», поскольку ее наглядно можно представлять себе как геометрию фигур, нарисованных на идеально упругих резиновых листах, которые подвергаются растяжению, сжатию или изгибанию. Топология – один из новейших разделов математики.

История.

В 1640 французский философ и математик Р.Декарт (1596–1650) нашел инвариантное соотношение между числом вершин, ребер и граней простых многогранников. Это соотношение Декарт выразил формулой V – E + F = 2, где V – число вершин, E – число ребер и F – число граней. В 1752 швейцарский математик Л.Эйлер (1707–1783) дал строгое доказательство этой формулы. Еще один вклад Эйлера в развитие топологии – это решение знаменитой задачи о кёнигсбергских мостах. Речь шла об острове на реке Прегель в Кёнигсберге (в том месте, где река разделяется на два рукава – Старый и Новый Прегель) и семи мостах, соединяющих остров с берегами. Задача состояла в том, чтобы выяснить, можно ли обойти все семь мостов по непрерывному маршруту, побывав на каждом только один раз и вернувшись в исходную точку. Эйлер заменил участки суши точками, а мосты – линиями. Полученную конфигурацию Эйлер назвал графом, точки – его вершинами, а линии – ребрами. Вершины он разделил на четные и нечетные в зависимости от того, четное или нечетное число ребер выходит из вершины. Эйлер показал, что все ребра графа можно обойти ровна по одному разу по непрерывному замкнутому маршруту, лишь если граф содержит только четные вершины. Так как граф в задаче о кёнигсбергских мостах содержит только нечетные вершины, мосты невозможно обойти по непрерывному маршруту, побывав на каждом ровно по одному разу и вернувшись к началу маршрута.

Предложенное Эйлером решение задачи о кенигсбергских мостах зависит только от взаимного расположения мостов. Оно положило формальное начало топологии как разделу математики. К.Гаусс (1777–1855) создал теорию узлов, которой позднее занимались И.Листинг (1808–1882), П.Тэйт (1831–1901) и Дж.Александер. В 1840 А.Мёбиус (1790–1868) сформулировал так называемую проблему четырех красок, которую впоследствии исследовали О.де Морган (1806–1871) и А.Кэли (1821–1895). Первым систематическим трудом по топологии были Предварительные исследования по топологии Листинга (1874).

Основателями современной топологии являются Г.Кантор (1845–1918), А.Пуанкаре (1854–1912) и Л.Брауэр (1881–1966).

Разделы топологии.

Топологию можно подразделить на три области: 1) комбинаторную топологию, изучающую геометрические формы посредством их разбиения на простейшие фигуры, регулярным образом примыкающие друг к другу; 2) алгебраическую топологию, занимающуюся изучением алгебраических структур, связанных с топологическими пространствами, с упором на теорию групп; 3) теоретико-множественную топологию, изучающую множества как скопления точек (в отличие от комбинаторных методов, представляющих объект как объединение более простых объектов) и описывающую множества в терминах таких топологических свойств, как открытость, замкнутость, связность и т.д. Разумеется, такое деление топологии на области в чем-то произвольно; многие топологи предпочитают выделять в ней другие разделы.

Некоторые основные понятия.

Топологическое пространство состоит из множества точек S и набора S подмножеств множества S , удовлетворяющего следующим аксиомам:

(1) все множество S и пустое множество принадлежат набору S;

(2) объединение любой совокупности множеств из S есть множество из S;

(3) пересечение любого конечного числа множеств из S есть множество из S.

Множества, входящие в набор S, называются открытыми множествами , а сам этот набор – топологией в S . См . МНОЖЕСТВ ТЕОРИЯ.

Топологическое преобразование , или гомеоморфизм , одной геометрической фигуры S на другую, S ў, – это отображение (p ® p ў) точек p из S в точки p ў из S ў, удовлетворяющее следующим условиям: 1) устанавливаемое им соответствие между точками из S и S ў взаимно однозначно, т.е. каждой точке p из S соответствует только одна точка p ў из S ў и в каждую точку p ў отображается только одна точка p ; 2) отображение взаимно непрерывно (непрерывно в обе стороны), т.е. если заданы две точки p , q из S и точка p движется так, что расстояние между ней и точкой q стремится к нулю, то расстояние между соответствующими точками p ў, q ў из S ў также стремится к нулю, и наоборот.

Геометрические фигуры, переходящие одна в другую при топологических преобразованиях, называются гомеоморфными . Окружность и граница квадрата гомеоморфны, так как их можно перевести друг в друга топологическим преобразованием (т.е. изгибанием и растяжением без разрывов и склеиваний, например, растяжением границы квадрата на описанную вокруг него окружность). Сфера и поверхность куба также гомеоморфны. Чтобы доказать гомеоморфность фигур, достаточно указать соответствующее преобразование, но тот факт, что для каких-то фигур найти преобразование нам не удается, не доказывает, что эти фигуры не гомеоморфны. Здесь помогают топологические свойства.

Топологическим свойством (или топологическим инвариантом ) геометрических фигур называется свойство, которым вместе с данной фигурой обладает также любая фигура, в которую она переходит при топологическом преобразовании.

Любое открытое связное множество, содержащее по крайней мере одну точку, называется областью .

Область, в которой любую замкнутую простую (т.е. гомеоморфную окружности) кривую можно стянуть в точку, оставаясь все время в этой области, называется односвязной односвязностью . Если же некоторую замкнутую простую кривую этой области нельзя стянуть в точку, оставаясь все время в этой области, то область называется многосвязной , а соответствующее свойство области – многосвязностью . Представьте себе две круговые области, или диски, одну без дыр, а другую с дырами. Первая область односвязна, вторая многосвязна. Односвязность и многосвязность – топологические свойства. Область с дырой не может перейти при гомеоморфизме в область без дыр. Интересно отметить, что если в многосвязном диске провести по разрезу от каждой из дыр до края диска, то он станет односвязным.

Максимальное число замкнутых простых непересекающихся кривых, по которым можно разрезать замкнутую поверхность, не разделяя ее на отдельные части, называется родом поверхности. Род – топологический инвариант поверхности. Можно доказать, что род сферы равен нулю, род тора (поверхности «бублика») – единице, род кренделя (тора с двумя дырками) – двум, род поверхности с p дырами равен p . Отсюда следует, что ни поверхность куба, ни сфера не гомеоморфны тору.

Среди топологических инвариантов поверхности можно также отметить число сторон и число краев. Диск имеет 2 стороны, 1 край и род 0. Тор имеет 2 стороны, не имеет краев, а его род равен 1.

Введенные выше понятия позволяют уточнить определение топологии: топологией называется раздел математики, изучающий свойства, которые сохраняются при гомеоморфизмах .

Важные проблемы и результаты.

Теорема Жордана о замкнутой кривой.

Если на поверхности проведена простая замкнутая кривая, то существует ли какое-либо свойство кривой, которое сохраняется при деформации поверхности? Существование такого свойства вытекает из следующей теоремы: простая замкнутая кривая на плоскости делит плоскость на две области, внутреннюю и внешнюю . Эта кажущаяся тривиальной теорема очевидна для кривых простого вида, например, для окружности; однако для сложных замкнутых ломаных дело обстоит иначе. Теорема была впервые сформулирована и доказана К.Жорданом (1838–1922); однако доказательство Жордана оказалось ошибочным. Удовлетворительное доказательство было предложено О.Вебленом (1880–1960) в 1905.

Теорема Брауэра о неподвижной точке.

Пусть D – замкнутая область, состоящая из окружности и ее внутренности. Теорема Брауэра утверждает, что для любого непрерывного преобразования, переводящего каждую точку области D в точку этой же области, существует некоторая точка, которая остается неподвижной при этом преобразовании. (Преобразование не предполагается взаимно однозначным.) Теорема Брауэра о неподвижной точке представляет особый интерес потому, что она, по-видимому, является, наиболее часто используемой в других разделах математики топологической теоремой.

Проблема четырех красок.

Проблема заключается в следующем: можно ли любую карту раскрасить в четыре цвета так, чтобы любые две страны, имеющие общую границу, были раскрашены в различные цвета? Проблема четырех красок топологическая, так как ни форма стран, ни конфигурация границ не имеют значения.

Гипотеза о том, что четырех красок достаточно для соответствующей раскраски любой карты, была впервые высказана в 1852. Опыт показал, что четырех красок действительно достаточно, но строгого математического доказательства не удавалось получить на протяжении более ста лет. И только в 1976 К.Аппель и В.Хакен из Иллинойского университета, затратив более 1000 часов компьютерного времени, добились успеха.

Односторонние поверхности.

Простейшей односторонней поверхностью является лист Мёбиуса , названный так в честь А.Мёбиуса, открывшего его необычайные топологические свойства в 1858. Пусть ABCD (рис. 2,а ) – прямоугольная полоска бумаги. Если склеить точку A с точкой B , а точку C с точкой D (рис. 2,б ), то получится кольцо с внутренней поверхностью, наружной поверхностью и двумя краями. Одну сторону кольца (рис. 2,б ) можно окрасить. Окрашенная поверхность будет ограничена краями кольца. Жук может совершить «кругосветное путешествие» по кольцу, оставаясь либо на окрашенной, либо на неокрашенной поверхности. Но если полоску перед склеиванием концов перекрутить на полоборота и склеить точку A с точкой C , а B с D , то получится лист Мёбиуса (рис. 2,в ). У этой фигуры есть только одна поверхность и один край. Любая попытка окрасить только одну сторону листа Мёбиуса обречена на неудачу, так как у листа Мёбиуса всего одна сторона. Жук, ползущий по середине листа Мёбиуса (не пересекая края), вернется в исходную точку в положении «вверх ногами». При разрезании листа Мёбиуса по средней линии он не распадается на две части.

Узлы.

Узел можно представлять себе как запутанный кусок тонкой веревки с соединенными концами, расположенный в пространстве. Простейший пример – из куска веревки сделать петлю, пропустить один из ее концов сквозь петлю и соединить концы. В результате мы получим замкнутую кривую, которая остается топологически той же самой, как бы ее ни растягивать или скручивать, не разрывая и не склеивая при этом отдельные точки. Проблема классификации узлов по системе топологических инвариантов пока не решена.

Доступно с лицензией Standard или Advanced.

Топология - это набор правил, которые вместе с инструментами и технологиями редактирования позволяют более точно моделировать геометрические отношения в базе геоданных. В ArcGIS топология обеспечивается через набор правил, которые определяют, как пространственные объекты взаморасполагаются в географическом пространстве, а также через набор инструментов редактирования, одинаковым образом применяющиеся к объектам с общей геометрией. Топология хранится в базе геоданных как одно или несколько отношений, определяющих, как пространственные объекты одного или нескольких классов пространственных объектов используют общую геометрию. Участвующие в топологии пространственные объекты относятся к простым классам пространственных объектов - топология не изменяет определение класса пространственных объектов, а сама служит описанием пространственных отношений этих объектов.

Зачем нужна топология?

В течение долгого времени, топология была ключевым элементом ГИС, служащим для управления данными и контролем над их целостностью. В целом, модель топологических данных управляет пространственными отношениями путем представления пространственных объектов (точечных, линейных и площадных объектов) в виде схем топологических примитивов – узлов, граней и ребер. Эти примитивы, взаимоотношения между ними, а также с объектами, чьи границы они представляют, определяются отображением геометрии пространственных объектов в графе топологических элементов.

Топология используется в основном для контроля качества данных с пространственными отношениями, а также помогает при их компиляции. Во многих случаях, топология также применяется для анализа пространственных взаимоотношений – например, чтобы убрать границы между соседними полигонами, имеющими одинаковые атрибутивные значения, или для прокладывания пути по сети элементов топологического графа.

Топология также используется для моделирования интеграции геометрии между несколькими различными классами пространственных объектов. Иногда это называют вертикальной интеграцией классов пространственных объектов.

Каким образом объекты в топологии используют общую геометрию

Пространственные объекты могут совместно использовать геометрию внутри топологии. Ниже приведены примеры смежных пространственных объектов:

Площадные объекты могут использовать общие границы (полигональная топология).
Линейные объекты могут использовать общие конечные точки (топология ребер и узлов).

Кроме того, общая геометрия может использоваться между классами пространственных объектов с помощью топологии базы геоданных. Например:

Линейные пространственные объекты могут иметь общие сегменты.
Площадные объекты могут совмещаться с другими площадными объектами. Например, земельные участки могут могут складываться в кварталы.
Линейные пространственные объекты могут иметь вершины, совпадающие с точечными объектами (узловая топология).
Точечные объекты могут совмещаться с линейными (точечные события).

Примечание:

Земельные участки часто управляются с помощью простых классов пространственных объектов и топологии базы геоданных, так как там набор классов пространственных объектов, необходимых для моделирования земельных участков, границ, угловых точек и контрольных точек следуют правилам совпадения. Еще одним способом управления земельными участками является использование набора данных участков , который автоматически обеспечивает наличие этих слоев. Набор данных участков управляет своей внутренней топологией, так что нет необходимости поддерживать топологию базы геоданных или выполнять какое-либо топологическое редактирование для используемый участками слоев.

Ключевое отличие между участками, моделируемыми в виде простых объектов, и участками в наборе данных участков заключается в том, что в наборе границы участков (линии в наборе данных участков) не являются общими – каждый земельный участок содержит полный набор линий границ; смежные линии участков перекрываются и совпадают друг с другом.

При этом наборы данных участков могут участвовать в топологии базы геоданных; там накладывающиеся линии границ обладают разной геометрией, линии разбиваются и граф топологии строится как обычно.

Два вида: объекты и элементы топологии

Слой полигонов можно описать и использовать:

Как наборы географических пространственных объектов (точек, линий и полигонов)
Как граф топологических элементов (узлов, ребер, граней и их взаимоотношений).

Это означает, что существуют два варианта работы с пространственными объектами: в одном случае вы работаете с пространственными объектами, имеющие заданные координаты, а в другом – с объектами, представленными в виде упорядоченного графа топологических элементов.

Эволюция покрытий в топологию базы геоданных

Примечание:

Прочтение этого раздела не является необходимым для работы с топологией базы геоданных. Однако прочитайте этот раздел, если вас интересует история появления и развития топологии в базах геоданных.

Происхождение терминов «Дуга-узел» и «Геореляционный»

Покрытия ArcInfo Workstation имеют долгую историю применения и показали важность топологии для обеспечения пространственной целостности данных.

Модель данных покрытия содержит следующие элементы.

Границы пространственных объектов и точки в покрытии хранились в нескольких основных файлах, управляемых ArcInfo Workstation . Файл «ARC» содержал линейную или полигональную геометрию границ в виде топологических ребер, которые назывались «дугами». Файл «LAB» содержал точечные объекты, которые использовались как отправные точки для построения полигонов или как отдельные точечные объекты, например скважины. Другие файлы использовались для определения и сохранения топологических отношений между ребрами полигонов.

Например, файл «PAL» («Polygon-arc list») содержал порядок и направление дуг каждого полигона. С помощью программной логики в ArcInfo Workstation осуществлялась сборка координат каждого полигона для целей отображения, анализа и запроса данных. Упорядоченный список, содержащийся в файле PAL, использовался для поиска и сборки координат ребер, которые хранились в файле ARC. Сборка полигонов происходила по мере необходимости во время работы.

Модель покрытий имела несколько преимуществ:

Она использовала простую структуру для хранения топологии.
Она позволяла один раз оцифровывать и сохранять дуги, которые затем использовались несколькими пространственными объектами.
Она могла отображать полигоны очень большого размера (с тысячами координатных точек), т.к. они были представлены в виде набора ребер (т.е. «дуг»)
Структура хранения топологии покрытия была интуитивно понятна. Ее физические топологические файлы были легко понятны пользователям ArcInfo Workstation .

Прежние версии:

Интересный исторический факт: сочетание Arc с менеджером таблиц Info породило название продукта ArcInfo Workstation , из которого развились все последующие Arc-продукты в семействе продуктов Esri – ArcInfo, ArcIMS, ArcGIS и т.д.

Покрытия также имели несколько недостатков:

Некоторые операции выполнялись медленно из-за необходимости сборки «на лету» большого количества объектов. Сюда относятся все полигоны и составные объекты, такие как регионы (термин, означающий полигоны, состоящие из нескольких частей) и маршруты (составные линейные объекты).
Топологические пространственные объекты (такие как полигоны, регионы и маршруты) были не готовы к использованию, пока не была построена топология покрытия. Если редактировались ребра, вся топология требовала перестроения. (Примечание: в конечном итоге была использована частичная обработка, что позволяло перестраивать только измененные части топологии покрытия). В основном, при редактировании пространственных объектов топологии, необходимо было задействовать алгоритм геометрического анализа для перестроения топологических отношений, независимо от использованной модели хранения данных.
Покрытия не позволяли использовать многопользовательское редактирование. Поскольку существовала необходимость обеспечить синхронизацию графа топологии с геометрией пространственных объектов, только один пользователь мог одновременно редактировать топологию. Пользователям приходилось разбивать покрытие на части для одновременного редактирования. Это давало возможность отдельным пользователям «закрывать» и редактировать свою часть данных. Для использования всего массива данных, пользователи должны были скопировать свои части в составной слой данных. Другими словами, разделенные на части наборы данных, которые они редактировали, нельзя было сразу использовать в совместном доступе. Сначала, их было необходимо конвертировать, что означало дополнительные затраты времени и труда.

Шейп-файлы и хранение простой геометрии

В начале 1980-х, покрытия рассматривались как существенное усовершенствование устаревших полигональных и линейных систем, в которых полигоны хранились в виде замкнутых петель. В этих устаревших системах, все координаты пространственных объектов хранились вместе с геометрией этих объектов. До появления покрытий и ArcInfo Workstation , использовались эти простые полигональные и линейные структуры. Эта структура данных была проста, но имела существенный недостаток «дважды оцифрованных границ». Т.е. в геометрии каждого полигона, имеющего общие грани, хранились две копии координат для соседних участков. Основной недостаток состоял в том, что программное обеспечение ГИС того времени не могло управлять целостностью общих ребер. Кроме того, стоимость хранения информации была очень велика, экономить приходилось каждый байт. В начале 80-х годов жесткий диск емкостью 300 МБ был размером со стиральную машину и стоил 30 000 долларов. Хранение двух и более наборов координат было дорогостоящим, а вычисления занимали немало машинного времени. Таким образом, использование топологии покрытия имело реальные преимущества.

В середине 1990-х, на фоне уменьшения стоимости дискового пространства и увеличения вычислительной мощности, усиливался интерес к простым геометрическим структурам. В это же время, наборы ГИС данных становились все доступнее, и пользователи ГИС стали переходить от первичной компиляции данных к их обработке и анализу.

Пользователи хотели повышения быстродействия при работе с данными (например, не ждать вычисления геометрии полигона, который потребовался в данный момент, а просто получить координаты полигонов как можно быстрее). Доступность полной геометрии пространственных объектов оказалась более эффективной. Тысячи пользователей ГИС создали огромное количество доступных наборов данных.

Примерно в это же время компания Esri разработала и опубликовала формат шейп-файла. Шейп-файлы использовали очень простую модель хранения координат пространственных объектов. Каждый шейп-файл представлял один класс пространственных объектов (точечных, линейных или полигональных) и использовал простую модель хранения координат пространственных объектов. Шейп-файлы легко создавались из покрытий и форматов других ГИС. Они быстро стали форматом «де-факто», широко распространились и используются по сей день.

Несколько лет спустя, ArcSDE предложил простую модель хранения данных в таблицах реляционных баз данных. Таблица пространственных объектов может хранить один объект в виде строки, вместе с информацией о его геометрии, а также атрибуты.

Пример такой таблицы, содержащей полигоны штатов, показан ниже. Каждая строка представляет один штат. Столбец shape содержит полигональную геометрию каждого штата.

Эта простая модель пространственных объектов хорошо подходит для механизма обработки SQL. Благодаря использованию реляционных баз данных, увеличение объема данных и количества пользователей не приводило к снижению производительности. Мы начали использовать РСУБД для управления данными ГИС.

Шейп-файлы получили повсеместное распространение и, благодаря ArcSDE, этот механизм хранения простой геометрии стал основной моделью хранения пространственных объектов в РСУБД. (Стремясь обеспечить совместимость данных, компания Esri сыграла ведущую роль в создании спецификации простой геометрии OGC и ISO).

Хранение простых объектов имело явные преимущества:

Полная геометрия каждого пространственного объекта содержится в одной строке. Сборка не требуется.
Структура данных (физическая схема) очень проста, кроме того, она не только быстрая, но и масштабируемая.
Легкость написания интерфейса.
Легкость взаимодействия. Позволяет без труда создавать конвертеры для переноса данных в формат простой геометрии из большого количества других форматов, и наоборот. Шейп-файлы широко применялись как формат хранения данных, а также как обменный формат.

Одним из их недостатков являлась невозможность использования топологии для поддержания целостности данных при работе с простыми объектами. Как следствие, пользователи использовали одну модель данных для редактирования и хранения (покрытия), а вторую для обработки (шейп-файлы или слои ArcSDE).

Пользователи стали применять такой гибридный подход для редактирования и работы с данными. Например, пользователи могли редактировать данные в покрытиях, файлах САПР или в других форматах. Затем, они могли конвертировать данные в шейп-файлы для картографического использования. Таким образом, несмотря на то, что структура простых объектов стала удобным форматом прямого использования, она не поддерживала топологическое редактирование и управление совместно используемой геометрией. Базы данных прямого пользования могли использовать простую структуру, но для редактирования использовалась иная топологическая форма. Это давало преимущества при работе с данными. Но, при этом данные устаревали, их требовалось обновлять. Эта схема работала, но при этом появлялась задержка обновления информации. Нижняя линия – топология отсутствует.

ГИС требовали механизма хранения пространственных объектов, использующего простую геометрию объектов, и позволяющего использовать топологию вместе с этой структурой данных. Это означало, что пользователи, наконец, смогут совместить преимущества обоих подходов – транзакционной модели данных, которая позволяет выполнять запросы к топологии, совместное редактирование и контроль над целостностью данных, и простого, хорошо масштабируемого механизма хранения данных, основанного на использовании геометрии простых объектов.

Эта модель данных оказалась простой, быстрой и эффективной. Она позволяет прямое редактирование и одновременную работу любого числа пользователей.

Рабочая среда топологии в ArcGIS

Фактически, топология предполагает нечто большее, чем только модель хранения данных. Топология включает:

Полная модель данных (объекты, правила целостности, инструменты редактирования и проверки, топологически-геометрический механизм, позволяющий обрабатывать наборы данных любого размера и сложности, а также набор топологических операторов, способов отображения и инструментов построения запросов).
Открытый формат хранения использует набор типовых записей для обозначения простых объектов и топологический интерфейс для построения запросов, поиска элементов топологии и обработки пространственных отношений между ними (т.е., поиск смежных областей и их общих ребер, перемещение вдоль соединенных линий).
Возможность взаимодействия пространственных объектов (точки, линии и полигоны), топологических элементов (узлы, ребра, грани) и их отношений.
Механизм, который может поддерживать:
- Очень большие наборы данных, содержащие миллионы пространственных объектов.
- Одновременное редактирование и обработку несколькими пользователями.
- Готовую к использованию, всегда доступную геометрию пространственных объектов.
- Поддержку топологической целостности и поведения.
- Быстродействующую систему, масштабируемую в зависимости от числа пользователей и редакторов.
- Гибкую и простую систему.
- Систему, использующую преимущества механизма SQL реляционной СУБД и среду транзакций.
- Систему, поддерживающую многопользовательское редактирование, длинные транзакции, историческое архивирование и репликацию.

В топологии базы геоданных, процесс проверки определяет общие координаты пространственных объектов (как в пределах одного класса пространственных объектов, так и между классами). Алгоритм кластеризации обеспечивает точное совпадение общих координат. Общие координаты хранятся как часть простой геометрии каждого пространственного объекта.

Это обеспечивает быстрый и масштабируемый поиск топологических элементов (узлов, ребер и граней). Дополнительным преимуществом является работа с механизмом SQL РСУБД и управление транзакциями.

При редактировании или обновлении данных, новые пространственные объекты можно использовать сразу после добавления. Обновленные области карты, так называемые «измененные области», маркируются в каждом классе пространственных объектов. В любое время, пользователи могут выполнить топологический анализ и проверку измененных областей. Перестройка требуется только для топологии измененных областей, что сокращает время, требующееся на обработку.

В результате, топологические примитивы (узлы, ребра и грани), отношения между ними и пространственные объекты, в которые они входят, можно быстро обнаружить и собрать. Такая топология имеет следующие преимущества:

Для хранения пространственных объектов используется простая геометрия. Модель хранения является открытой, эффективной, и масштабируется под большие объемы и многочисленных пользователей.
Модель данных простых объектов является транзакционной и многопользовательской. Предыдущие топологические модели данных не масштабировались и имели серьезные ограничения при многопользовательской работе.
Топология базы геоданных полностью поддерживает все возможности длинных транзакций и версионных данных базы геоданных. Топологию базы геоданных не нужно разбивать для многопользовательской работы, пользователи могут одновременно редактировать базу топологических данных – даже свои собственные версии одних и тех же пространственных объектов.
Классы пространственных объектов могут содержать очень большое количество объектов (сотни миллионов), при этом их производительность не снижается.
Такое решение топологии является аддитивным. Как правило, вы можете добавить топологию к существующей схеме пространственно связанных классов объектов. Или, вам придется заново создать схему, имеющею возможность использования топологических примитивов, и загрузить в нее имеющиеся пространственные данные.
Для редактирования геометрии и работы с данными, как правило, достаточно одной модели.
Это стало возможным благодаря использованию спецификаций Открытого геопространственного консорциума и ISO для хранения геометрии всех пространственных объектов.
Моделирование данных более естественно, т.к. оно основано на пользовательских пространственных объектах (таких как земельные участки, улицы, типы почв и водоразделы) вместо топологических примитивов (узлов, ребер и граней). Пользователи начинают оперировать категориями целостности данных относительно реальных объектов, а не следить за целостностью топологических примитивов. Например, как должны себя вести эти земельные участки? Такой подход упрощает моделирование всех типов географических объектов. Он упрощает представление о реальных объектах: улицах, типах почв, районах переписи, железнодорожных путях, лесах, ландшафтах и т.д.
Топология базы геоданных обеспечивает то же информационное наполнение, что и предыдущие версии топологии – вне зависимости от того, храните ли вы топологический линейный граф и рассчитываете геометрию пространственных объектов (как в покрытиях) или храните геометрию объектов и вычисляете элементы топологии и связи (как в базах геоданных).

В тех случаях, когда пользователи предпочитают хранить топологические примитивы, они могут создавать таблицы и размещать в них топологию и связи для различных аналитических операций и для обмена данными (например, если необходимо разместить информацию в Oracle Spatial, который хранит таблицы топологических примитивов).

С практической точки зрения, топологическое решение ArcGIS работает. Оно масштабируется без потери производительности, как по объему данных, так и по количеству пользователей. Оно позволяет использовать широкий набор инструментов проверки и редактирования для построения и обработки топологии в базе геоданных. Оно включает мощные и гибкие инструменты моделирования данных, которые позволяют пользователям создавать удобные системы, работающие как на файловом уровне, так и на уровне реляционных баз данных, и использующие любое количество схем.

Особое место среди областей топологии занимает общая топология. В настоящее время общая топология достигла того наиболее естественного уровня общности, который позволяет излагать топологические принципы, концепции и конструкции с наибольшей прозрачностью и одновременно обеспечить им максимально широкую приложимость в других разделах математики.

Общая топология – это область математики, в которой изучаются общие геометрические свойства, сохраняющиеся при непрерывных и взаимно однозначных отображениях.

Наряду с алгеброй общая топология составляет основу современного теоретико-множественного метода в математике.

Аксиоматически определяемыми объектами изучения общей топологии являются пространства и их непрерывные отображения. Под топологическим пространством понимается множество объектов произвольной природы, называемых точками, в котором выделена некоторая система подмножеств, называемых открытыми множествами пространства. Эта система должна включать в себя всё пространство и пустое множество и содержать в себе вместе с любыми двумя множествами их пересечение и вместе с любым набором множеств множество, которое является их объединением.

Существенное влияние на развитие общей топологии оказало введённое П.С. Александровым понятие бикомпактности. Александров и Урысон создали теорию бикомпактных пространств. Бикомпактные пространства – один из главных объектов исследования в общей топологии – и в настоящее время находятся в центре внимания математиков. Они играют важную роль в теории размерности, теории гомологий и других разделах топологии, а также имеют основное значение в функциональном анализе. Всякое вполне регулярное пространство является подмножеством некоторого бикомпактного хаусдорфова пространства.

В настоящее время наиболее распространённым является следующее определение бикомпактного пространства: пространство называется бикомпактным, если из всякого открытого покрытия этого пространства можно выбрать конечное число покрывающих множеств.

В литературе можно встретить и другие классы пространств, родственные бикомпактным, например псевдокомпактные, квазикомпактные. Бикомпактные пространства занимают главное место среди них и играют такую же роль в общей топологии, как компакты в классе метризуемых пространств.

Кроме того, общая топология посвящена изучению понятий непрерывности, а также других понятий, таких как компактность или отделимость, как таковых, без обращения к другим инструментам.

4. Топологическое пространство

Топологическое пространство – основной объект изучения топологии. Понятие топологического пространства можно рассматривать как обобщение понятия геометрической фигуры, в котором мы отвлекаемся от свойств наподобие размера или точного положения частей фигуры в пространстве, и сосредотачиваемся только на взаимном расположении частей. Топологические пространства возникают естественно почти во всех разделах математики.

Итак, топологическое пространство определяется через систему открытых множеств посредством аксиом. Естественно, само это понятие базируется на предварительных общих понятиях «пространство» и «открытое множество».

В современной математике пространство определяют как некоторое абстрактное множество произвольных объектов, для которых задана определённая операция, осуществляющая известное отношение между элементами пространства. Базой для построения теории того или иного абстрактного пространства является, с одной стороны, общематематическое понятие множества, под которым понимается произвольная совокупность любых объектов (элементов), а с другой, – установленные определённым образом структурные отношения между этими объектами.

Пусть дано множество X. Множество T его подмножеств называется топологией на X, если выполнены следующие свойства:

Все X и пустое множество принадлежат T,

Объединение произвольного семейства множеств, принадлежащих T, принадлежит T,

Пересечение двух множеств, принадлежащих T, принадлежит T.

Множество X вместе с заданной на нем топологией T называется топологическим пространством. Подмножества X, принадлежащие T, называются открытыми множествами.

Потребность в развитии общего подхода к понятию пространства возникла довольно давно – в конце прошлого и начале нынешнего столетия. В связи с развитием теории функций действительного переменного и функционального анализа возникли и другие объекты – функциональные пространства и их подмножества, – для исследования которых также требуются понятия и методы общей топологии.

В настоящее время топологические методы исследования применяются не только в анализе, но и во многих других отраслях математики. Значительной является роль топологических методов в дифференциальных уравнениях. В результате синтеза идей общей топологии и функционального анализа возникла теория топологических векторных пространств. Абстрактные топологические пространства неожиданным образом могут возникать и применяться в самых различных областях математики.

Общепринятое ныне понятие топологического пространства возникло не сразу. Появившееся ранее метрические пространства, которые и по сей день являются важным предметом изучения общей топологии, не могли удовлетворить математиков.

Первые достаточно общие определения топологического пространства даны в работах Фреше, Рисса и Хаусдорфа. Окончательно определение топологического пространства было сформулировано польским математиком К. Куратовским и П.С. Александровым.

Локальная сеть - важный элемент любого современного предприятия, без которого невозможно добиться максимальной производительности труда. Однако чтобы использовать возможности сетей на полную мощность, необходимо их правильно настроить, учитывая также и то, что расположение подсоединенных компьютеров будет влиять на производительность ЛВС.

Понятие топологии

Топология локальных компьютерных сетей - это месторасположение рабочих станций и узлов относительно друг друга и варианты их соединения. Фактически это архитектура ЛВС. Размещение компьютеров определяет технические характеристики сети, и выбор любого вида топологии повлияет на:

Разновидности и характеристики сетевого оборудования.
Надежность и возможность масштабирования ЛВС.
Способ управления локальной сетью.

Таких вариантов расположения рабочих узлов и способов их соединения много, и количество их увеличивается прямо пропорционально повышению числа подсоединенных компьютеров. Основные топологии локальных сетей - это "звезда", "шина" и "кольцо".

Факторы, которые следует учесть при выборе топологии

До того как окончательно определиться с выбором топологии, необходимо учесть несколько особенностей, влияющих на работоспособность сети. Опираясь на них, можно подобрать наиболее подходящую топологию, анализируя достоинства и недостатки каждой из них и соотнеся эти данные с имеющимися для монтажа условиями.

Работоспособность и исправность каждой из рабочих станций, подсоединенных к ЛВС. Некоторые виды топологии локальной сети целиком зависят от этого.
Исправность оборудования (маршрутизаторов, адаптеров и т. д.). Поломка сетевого оборудования может как полностью нарушить работу ЛВС, так и остановить обмен информацией с одним компьютером.
Надежность используемого кабеля. Повреждение его нарушает передачу и прием данных по всей ЛВС или же по одному ее сегменту.
Ограничение длины кабеля. Этот фактор также важен при выборе топологии. Если кабеля в наличии немного, можно выбрать такой способ расположения, при котором его потребуется меньше.

О топологии «звезда»

Этот вид расположения рабочих станций имеет выделенный центр - сервер, к которому подсоединены все остальные компьютеры. Именно через сервер происходят процессы обмена данными. Поэтому оборудование его должно быть более сложным.

Достоинства:

Топология локальных сетей "звезда" выгодно отличается от других полным отсутствием конфликтов в ЛВС - это достигается за счет централизованного управления.
Поломка одного из узлов или повреждение кабеля не окажет никакого влияния на сеть в целом.
Наличие только двух абонентов, основного и периферийного, позволяет упростить сетевое оборудование.
Скопление точек подключения в небольшом радиусе упрощает процесс контроля сети, а также позволяет повысить ее безопасность путем ограничения доступа посторонних.

Недостатки:

Такая локальная сеть в случае отказа центрального сервера полностью становится неработоспособной.
Стоимость "звезды" выше, чем остальных топологий, поскольку кабеля требуется гораздо больше.

Топология «шина»: просто и дешево

В этом способе соединения все рабочие станции подключены к единственной линии - коаксиальному кабелю, а данные от одного абонента отсылаются остальным в режиме полудуплексного обмена. Топологии локальных сетей подобного вида предполагают наличие на каждом конце шины специального терминатора, без которого сигнал искажается.

Достоинства:

Все компьютеры равноправны.
Возможность легкого масштабирования сети даже во время ее работы.
Выход из строя одного узла не оказывает влияния на остальные.
Расход кабеля существенно уменьшен.

Недостатки:

Недостаточная надежность сети из-за проблем с разъемами кабеля.
Маленькая производительность, обусловленная разделением канала между всеми абонентами.
Сложность управления и обнаружения неисправностей за счет параллельно включенных адаптеров.
Длина линии связи ограничена, потому эти виды топологии локальной сети применяют только для небольшого количества компьютеров.

Характеристики топологии «кольцо»

Такой вид связи предполагает соединение рабочего узла с двумя другими, от одного из них принимаются данные, а второму передаются. Главной же особенностью этой топологии является то, что каждый терминал выступает в роли ретранслятора, исключая возможность затухания сигнала в ЛВС.

Достоинства:

Быстрое создание и настройка этой топологии локальных сетей.
Легкое масштабирование, требующее, однако, прекращения работы сети на время установки нового узла.
Большое количество возможных абонентов.
Устойчивость к перегрузкам и отсутствие сетевых конфликтов.
Возможность увеличения сети до огромных размеров за счет ретрансляции сигнала между компьютерами.

Недостатки:

Ненадежность сети в целом.
Отсутствие устойчивости к повреждениям кабеля, поэтому обычно предусматривается наличие параллельной резервной линии.
Большой расход кабеля.

Типы локальных сетей

Выбор топологии локальных сетей также следует производить, основываясь на имеющемся типе ЛВС. Сеть может быть представлена двумя моделями: одноранговой и иерархической. Они не очень отличаются функционально, что позволяет при необходимости переходить от одной из них к другой. Однако несколько различий между ними все же есть.

Что касается одноранговой модели, ее применение рекомендуется в ситуациях, когда возможность организации большой сети отсутствует, но создание какой-либо системы связи все же необходимо. Рекомендуется создавать ее только для небольшого числа компьютеров. Связь с централизованным управлением обычно применяется на различных предприятиях для контроля рабочих станций.

Одноранговая сеть

Этот тип ЛВС подразумевает равноправие каждой рабочей станции, распределяя данные между ними. Доступ к информации, хранящейся на узле, может быть разрешен либо запрещен его пользователем. Как правило, в таких случаях топология локальных компьютерных сетей «шина» будет наиболее подходящей.

Одноранговая сеть подразумевает доступность ресурсов рабочей станции остальным пользователям. Это означает возможность редактирования документа одного компьютера при работе за другим, удаленной распечатки и запуска приложений.

Достоинства однорангового типа ЛВС:

Легкость реализации, монтажа и обслуживания.
Небольшие финансовые затраты. Такая модель исключает надобность в покупке дорогого сервера.

Недостатки:

Быстродействие сети уменьшается пропорционально увеличению количества подсоединенных рабочих узлов.
Отсутствует единая система безопасности.
Доступность информации: при выключении компьютера данные, находящиеся в нем, станут недоступными для остальных.
Нет единой информационной базы.

Иерархическая модель

Наиболее часто используемые топологии локальных сетей основаны именно на этом типе ЛВС. Его еще называют «клиент-сервер». Суть данной модели состоит в том, что при наличии некоторого количества абонентов имеется один главный элемент - сервер. Этот управляющий компьютер хранит все данные и занимается их обработкой.

Достоинства:

Отличное быстродействие сети.
Единая надежная система безопасности.
Одна, общая для всех, информационная база.
Облегченное управление всей сетью и ее элементами.

Недостатки:

Необходимость наличия специальной кадровой единицы - администратора, который занимается мониторингом и обслуживанием сервера.
Большие финансовые затраты на покупку главного компьютера.

Наиболее часто используемая конфигурация (топология) локальной компьютерной сети в иерархической модели - это «звезда».

Выбор топологии (компоновка сетевого оборудования и рабочих станций) является исключительно важным моментом при организации локальной сети. Выбранный вид связи должен обеспечивать максимально эффективную и безопасную работу ЛВС. Немаловажно также уделить внимание финансовым затратам и возможности дальнейшего расширения сети. Найти рациональное решение - непростая задача, которая выполняется благодаря тщательному анализу и ответственному подходу. Именно в таком случае правильно подобранные топологии локальных сетей обеспечат максимальную работоспособность всей ЛВС в целом.

Топология, самая юная и самая мощная ветвь геометрии, наглядно демонстрирует плодотворное влияние противоречий между интуицией и логикой

Р. Курант

Топология является одним из самых молодых разделов современной геометрии. Чем занимается топология? Так, например, аналитическая геометрия исследует простейшие геометрические объекты (точки, прямые, плоскости и пр.) средствами элементарной алгебры на основе метода координат. Чтобы получить некоторое представление о топологии, рассмотрим ряд простых и занимательных задач, связанных с ее объектами.

У каждого из нас есть интуитивное представление о том, что такое "поверхность". Поверхность листа бумаги, поверхность стен аудитории, поверхность земного шара известны всем. Возьмите бумажную ленту АВСD, разделенную по ширине пополам пунктирной линией и приложите ее концы АВ и СD друг к другу, склейте их так, чтобы точка А совпала с точкой D, а точка B с точкой С. Перед склейкой перекрутите ленту один раз. Получилось знаменитое в математике бумажное кольцо. Его особое название - "Лист Мёбиуса". У ленты, из которой сделан лист Мёбиуса, две стороны. А у него самого, есть только одна сторона! В качестве опыта, демонстрируемого особенности листа Мебиуса, обычно предлагают «опыт с пауком и мухой». Если на внутреннюю сторону обычного кольца посадить паука, а на наружную - муху и разрешить им ползать как угодно, запретив лишь перелезать через края кольца, то паук никогда не сможет добраться до мухи. А если их обоих посадить на лист Мёбиуса, то бедная муха будет съедена, если, конечно, паук ползает быстрее!

Таинственный и знаменитый лист Мебиуса (иногда говорят: "лента Мёбиуса") придумал в 1858 г. немецкий геометр Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868), ученик "короля математиков" Гаусса. Мёбиус был первоначально астрономом, как Гаусс и многие другие из тех, кому математика была обязана своим развитием. В те времена занятия математикой не встречали поддержки, а астрономия давала достаточно денег, чтобы не думать о них, и оставляла время для собственных размышлений. И Мёбиус стал одним из крупнейших геометров XIX в. В возрасте 68 лет ему удалось сделать открытие поразительной красоты. Это открытие односторонних поверхностей, одна из которых - лист Мёбиуса.

Представленный лист Мебиуса и является объектом изучения новой ветви геометрии – топологии. Топологию часто называют «резиновой геометрией», потому что в ней любую фигуру можно сгибать, скручивать, растягивать, сжимать, но только не разрезать и склеивать. При этом считается, что свойства фигуры остаются неизменными.

При растяжении резинка порвется не сразу, она будет свободно растягиваться, сжиматься, так как эластична. И при таком растяжении или сжатии будут сохраняться все ее особенные свойства – цвет, структура и прочее, при этом изменится только длина и ширина. Поэтому в топологии при рассмотрении объекта не учитывается ни длина, ни величина его углов. Топологические объекты различаются только по «топологической структуре», их свойства могут быть установлены без измерения и сравнения длин и величин углов.

К другим топологическим объектам относятся фигуры, которые можно нарисовать одним росчерком пера. Эти фигуры связаны с топологическим понятием графа. Граф состоит из двух множеств - множества вершин и множества ребер, причем для каждого ребра указана пара вершин, которые это ребро соединяет.

Одной из знаменитых задач, связанных с понятием графов, является задача о Кенигсбергских мостах, называемой еще задачей Эйлера.

В Кенигсберге есть остров, называемый Кнейпгоф. Река, омывающая его, делится на два рукава, через которые перекинуто семь мостов: а, b, с, d, e, f, g. Можно ли обойти все эти мосты, не побывав ни на одном из них более раза?

Этой задаче Эйлер посвятил целое математическое исследование, которое было в 1736 году представлено в Петербургскую Академию. Для наглядности заменим рисунок расположения речных рукавов упрощенной схемой (рис.20). В предложенной задаче размер острова и длина мостов никакого значения не имеют (такова характерная особенность всех топологических задач). Задача сводится теперь к тому, чтобы начертить фигуру одним росчерком, не отрывая пера от бумаги и не проводя ни одной линии дважды.

Сначала попытайтесь нарисовать одним росчерком, не отрывая пера от бумаги, не делая никаких лишних штрихов и не проводя дважды ни одной линии, каждую из следующих семи фигур, изображенных на рис. 21. Попытки вычерчивания непрерывной линией фигур 1-7 приводят к неодинаковым результатам. Некоторые фигуры удается вычерчивать, с какой бы точки ни начинать вести первую линию. Другие вычерчиваются одним росчерком в тех лишь случаях, когда начинают с определенных точек. Наконец, третьи вовсе не поддаются вычерчиванию одной непрерывной линией. Существуют ли признаки, позволяющие установить заранее, поддается ли данная фигура вырисовыванию одним росчерком, и если поддается, то с какой точки следует начинать черчение?

Теория графов дает на эти вопросы исчерпывающие ответы, и мы сейчас познакомимся с некоторыми положениями этой теории. Условимся называть «четными» те точки фигуры, в которых сходится четное число линий, в отличие от точек «нечетных», в которых встречается нечетное число линий. Можно доказать, что какова бы ни была фигура, нечетных точек в ней либо нет совсем, либо их имеется две, четыре, шесть-вообще четное число. В теории графов доказывается, что если нечетных точек в фигуре нет, то она всегда поддается вырисовыванию одним росчерком, безразлично, с какого места ни начинать черчение. Таковы фигуры 1 и 5 . Если в фигуре имеется только одна пара нечетных точек, то такую фигуру можно нарисовать одним росчерком, начав черчение в одной из нечетных точек (безразлично в какой). Вычерчивание должно оканчиваться во второй нечетной точке. Таковы фигуры 2, 3, 6; в фигуре 6, например, вычерчивание надо начинать либо из точки А, либо из точки В.

Если фигура имеет более одной пары нечетных точек, то она вовсе не может быть нарисована одним росчерком. Таковы фигуры 4 и 7, содержащие по две пары нечетных точек. И теперь уже можно заключить, что и задача Эйлера решений не имеет: по всем семи мостам пройти, как это требуется, невозможно.

Также к «топологической задаче» относится и задача четырёх красок, заключающаяся в доказательстве (или опровержении) следующего предложения: четырёх различных красок достаточно для того, чтобы раскрасить любую карту так, чтобы никакие две области, имеющие общий участок границы, не были окрашены в один и тот же цвет. Доказывается при этом, что пяти красок всегда достаточно для раскраски такого рода "карты". Если же соответствующую задачу формулировать для пространства, то здесь никакое число "красок" не окажется достаточным.

Впервые эта проблема была сформулирована в 1825 году лондонским студентом Гутри, который обнаружил, что для различия графств на карте Англии достаточно четырех красок, и выдвинул гипотезу о том, что четырех красок достаточно для раскраски любой карты. Спустя сорок лет английский математик Хивуд доказал, что любую карту на плоскости можно раскрасить в пять цветов. В дальнейшем проблема четырех красок приобретала все больший и больший интерес. В 1968 году Оре и Стемпл доказали, что любую карту, имеющую не более 40 стран, можно раскрасить в четыре цвета.

В настоящее время проблема четырех красок решена с помощью компьютерной визуализации. Учеными с помощью компьютера было просмотрено около 2000 типов карт и был получен вывод, что не существует среди них карты, для раскраски которой недостаточно четырех красок. Однако, поскольку нельзя признать, что все типы карт были рассмотрены, то полученное решение окончательным не считается и в настоящее время проблема четырех красок остается открытой.

В топологии существуют и свои объекты, и свои свойства, отличающиеся от свойств фигур в евклидовой геометрии.

Топологическим свойством геометрических фигур называется свойство, которым вместе с данной фигурой обладает также любая фигура, в которую она переходит при топологическом преобразовании. Проще говоря, если из одной фигуры можно получить другую, без разрывов и склеиваний, то эти две фигуры являются топологически одинаковыми и обладают одинаковыми топологическими свойствами.

Окружность с помощью деформации можно преобразовать в овал, в треугольник, в квадрат, вообще в произвольный многоугольник без самопересечении, в произвольную замкнутую кривую без самопересечений, что позволяет нам судить о топологической эквивалентности (или, как еще говорят, гомеоморфности) всех вышеперечисленных фигур (рис.22).

По определению все топологические свойства у гомеоморфных фигур совпадают, поэтому для топологии, изучающей лишь топологические свойства, все гомеоморфные между собой фигуры представляют как бы различные экземпляры одного и того же топологического образа, как, например, все конгруэнтные между собой треугольники в школьном курсе геометрии.

В связи с этим и вводится понятие топологического типа. Для того, чтобы две фигуры принадлежали одному и тому же топологическому типу, необходимо и достаточно, чтобы они были гомеоморфными.

Так, рассмотренные выше фигуры принадлежат одному топологическому типу; отрезок, дуга, незамкнутая ломаная - другому; «восьмерка» не принадлежит ни одному из этих типов. Сфера, куб, выпуклый многогранник образуют свой топологический тип и т. д.

Возьмем лист бумаги. Согните его, как угодно, сделайте из него самолетик, кораблик, сомнем его в комок. Если в результате этих преобразований он нигде не порвался, то во всех этих состояниях все его виды – кораблик, самолетик, комок, эквивалентны друг другу. Более того, если допустить, что лист бумаги обладает особыми свойствами, позволяющими его растягивать как угодно и сжимать до любой степени, то он будет эквивалентен даже кругу. Если же все- таки случайно он порвался и образовалось отверстие, то это будет другая поверхность, называемая кольцом. Говорят, что она ограничена двумя окружностями

К особым топологическим свойствам относятся: связность, компактность, линейная связность.

Понятие связности обобщает интуитивное представление о целостности, неразделенности геометрической фигуры, а понятие несвязного пространства – отрицание целостности, разделенность.

Пространство X называется несвязным , если его можно представить как объединение двух непустых непересекающихся множеств. В противном случае пространство называется связным . Простейшими примерами связного множества служит отрезок числовой оси R, несвязного – гипербола, если вспомнить, что собой представляет график гиперболы – две обособленные бесконечные ветви.

Топологическое пространство называется отделимым , если у любых его различных точек существуют непересекающиеся окрестности. Например, отделимыми являются числовое пространство, евклидово пространство, все метрические, аффинное и проективное пространства, потому что для каждых двух точек можно выбрать такие окрестности, чтобы они не имели общих точек.

Компактные объекты – это объекты, которые одновременно и ограничены (например, вокруг них можно описать окружность или сферу), и замкнуты (то есть граничные точки принадлежат объекту).

Какие же топологические объекты можно перечислить? Простейшая замкнутая поверхность, это, конечно, сфера. Второй интересный топологический объект – это тор, или как еще иначе его называют, бублик, баранка – по форме он действительно напоминает всеми любимое мучное изделие.

Следующий объект – это уже известный лист Мебиуса.

Лист Мёбиуса служил вдохновением для скульптур и для графического искусства. Эшер был одним из художников, кто особенно любил его и посвятил несколько своих литографий этому математическому объекту. Одна из известных - лист Мёбиуса II, показывает муравьёв, ползающих по поверхности ленты Мёбиуса. М уравьи Эшера демонстрируют свойства листа Мёбиуса: муравьи ползут по одной стороне листа, но кажется, будто они движутся по противоположным его сторонам. Лист, дважды перекрученный на пол-оборота, имеет две стороны. Число перекручиваний определяет число сторон и приводит к неожиданным эффектам при разрезании листа Мёбиуса вдоль оси.

Лист Мёбиуса был эмблемой известной серии научно-популярных книг «Библиотечка „Квант“». Он также постоянно встречается в научной фантастике, например в рассказе Артура Кларка «Стена Темноты». В рассказе «Лист Мёбиуса» автора А. Дж. Дейча, бостонское метро строит новую линию, маршрут которой становится настолько запутанным, что превращается в ленту Мёбиуса, после чего на этой линии начинают исчезать поезда. По мотивам рассказа был снят фантастический фильм «Мёбиус» режиссёра Густаво Москера. Также идея ленты Мёбиуса используется в рассказе М. Клифтона «На ленте Мёбиуса».

С лентой Мёбиуса сравнивается течение романа современного русского писателя Алексея А. Шепелёва «Echo» (СПб.: Амфора, 2003). Из аннотации к книге: «„Echo“ - литературная аналогия кольца Мёбиуса: две сюжетные линии - „мальчиков“ и „девочек“ - переплетаются, перетекают друг в друга, но не пересекаются».

Еще один объект топологии - бутылка Клейна.

Феликс Клейн - это математик, который первым исследовал эту поверхность, а вот почему "бутылка"? Ведь на бутылку это мало похоже. Вероятно, после какой-то деформации сходство с бутылкой становится ближе?

Если муха захочет переползти с наружной поверхности обычной бутылки на внутреннюю или наоборот, ей непременно придется пересечь край, образуемый горлышком. В отличие от обычной бутылки бутылка Клейна не имеет края, а ее поверхность нельзя разделить на внутреннюю и наружную. Та поверхность, которая кажется наружной, непрерывно переходит в ту, которая кажется внутренней, как переходят друг в друга две, на первый взгляд различные, "стороны" листа Мебиуса. К сожалению, в трехмерном пространстве бутылку Клейна фактически реализовать сложно и невозможно, но в топологии изучаются не то, что возможно или нет, а просто какие возможны комбинации.

Представим себе, что мы оттянули нижний конец трубки, загнули его вверх и, пропустив сквозь поверхность трубки, совместили с верхним концом. У реальной модели, изготовленной, например, из стекла, в том месте, где конец трубки проходит сквозь ее поверхность, придется оставить отверстие. Его не следует принимать во внимание: оно считается как бы затянутым продолжением поверхности бутылки. Иначе говоря, отверстия нет, есть только самопересечение поверхности бутылки. Такое самопересечение неизбежно до тех пор, пока мы имеем дело с трехмерной моделью. Если же мы представим себе, что вся поверхность погружена в четырехмерное пространство, то самопересечение можно будет полностью исключить.

Известный специалист по алгебраической геометрии Д. Пидо написал книгу под названием "Прекрасное искусство математики". Это великолепная книга, однако профессор Пидо, следуя установившейся традиции, допускает там неверное утверждение. Он пишет, что изготовить бутылку Клейна под силу лишь искусному стеклодуву, сделать же бутылку Клейна "из бумаги совсем невозможно". Действительно, в то время, когда профессор Пидо писал свою книгу, никто даже не пытался склеить бумажную модель бутылки Клейна. Но так продолжалось лишь до тех пор, пока за дело не взялся Стифен Барр, писатель-фантаст, а на досуге - большой любитель занимательной математики.

Барр довольно быстро придумал множество способов складывания из бумаги моделей бутылки Клейна и даже написал книгу о топологических развлечениях. В книге Барра приводится множество новых способов, позволяющих складывать из обыкновенного листа бумаги изящные топологические модели.

Бутылка Клейна является замкнутой односторонней поверхностью, если налить в такую бутылку воду, то вылить ее обратно уже будет совершенно невозможно.

Итак, топология – это особый раздел геометрии, в котором нет места понятиям расстояние, форма, угол. Линия не бывает здесь прямой или кривой - это просто линия. Поверхность не может быть вогнутой или выпуклой, или плоской - это бессмысленные для топологии слова. Но, например, отрезок и замкнутую линию - это топологически разные объекты. Объекты топологии бывают односторонние и двусторонние. Например, куб - двусторонняя поверхность, лист Мебиуса –односторонняя.

Но этот, казалось бы, странный раздел математики тесно связан с реальным миром. Например, электрическая цепь – понятие топологическое, поскольку существенно не расположение ее элементов в пространстве, а связи между ними. Топология графов (раздел топологии, занимающийся изучением сетей) имеет первостепенное значение при проектировании сложных электрических цепей. С топологией мы сталкиваемся в ткацком деле и вязании. Заузленная петля остается заузленной («не развязывается») при любых деформациях. Топологически она отличается от незаузленной петли. Текстильщики упражняются в топологии, пытаясь создать ткани с особыми топологическими свойствами, которые, например, можно связать целиком из одной нити или которые не «ползут» при обрыве одной нити: чтобы ткань
при обрыве волокна не «поползла», разработана сложная
система узлов и переплетений.

Существуют и технические применения ленты Мёбиуса. Полоса ленточного конвейера выполняется в виде ленты Мёбиуса, что позволяет ему работать дольше, потому что вся поверхность ленты изнашивается равномерно. Также в системах записи на непрерывную плёнку применяются ленты Мёбиуса (чтобы удвоить время записи). Во многих матричных принтерах красящая лента также имеет вид листа Мёбиуса для увеличения её ресурса.

Линии на карте-схеме Московского метрополитена сильно искажены по сравнению с реальными путями. Тем не менее, каждой точке путей
соответствует точка на схеме, и любые две точки, соединенные
на карте, соединены в действительности: схема и лондонская «подземка» топологически эквивалентны.

Но настоящая топология – пока еще не нашла широкого применения на практике (ни один из ее разделов не связан с производственной деятельностью так тесно, как, например, арифметика с банковским делом) и по-прежнему остается «площадкой для игр» теоретиков, теоремы топологии, хотя они и доказаны вполне строго, не находят столь прямых приложений, как, например, теоремы геометрии.