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별난 4차원 유클리드 다양체

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1. 개요

별난 4차원 유클리드 다양체는 표준 4차원 유클리드 공간(ℝ⁴)과 위상적으로는 같지만, 매끄러운 구조가 다른 4차원 다양체를 의미한다. 별난 ℝ⁴는 크기에 따라 작거나 큰 것으로 분류되며, 작은 별난 ℝ⁴는 5차원 h-코보디즘 정리와 관련된 연구를 통해, 큰 별난 ℝ⁴는 콤팩트 4차원 다양체의 분해 가능성과 관련된 연구를 통해 구성된다. 마이클 하틀리 프리드먼과 로렌스 R. 테일러는 모든 다른 ℝ⁴를 열린 부분집합으로 매끄럽게 포함하는 최대 별난 ℝ⁴가 존재함을 증명했다. 캐슨 핸들은 별난 D² × ℝ²의 예시이며, 별난 4차원 구의 존재 여부는 아직 알려지지 않았다.

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별난 4차원 유클리드 다양체
개요
유형매끄러운 4차원 다양체
위상수학적 성질R4과 위상 동형
미분기하학적 성질R4과 미분 동형 아님
역사
발견1980년대 초
발견자마이클 프리드먼, 사이먼 도널드슨
성질
존재무한히 많음
분류아직 완전히 분류되지 않음
중요성4차원 다양체의 특이한 성질을 보여줌
관련 개념
관련 개념이국적 다양체, 4차원 다양체, 미분기하학, 위상수학

2. 별난 R⁴의 분류

별난 ℝ⁴는 그 크기에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

분류정의관련 정리 및 증명
작은 별난 ℝ⁴표준 ℝ⁴의 열린 부분집합으로 매끄럽게 매장될 수 있는 별난 ℝ⁴사이먼 도널드슨의 연구 (h-보충 경계 정리)와 마이클 프리드먼의 연구를 바탕으로 구성 가능.
큰 별난 ℝ⁴표준 ℝ⁴의 열린 부분 집합으로 매끄럽게 매장될 수 없는 별난 ℝ⁴콤팩트 4차원 다양체가 위상적 합으로는 분해될 수 있지만(프리드먼의 연구), 매끄러운 합으로는 분해될 수 없다(도널드슨의 연구)는 사실을 이용하여 구성 가능. 마이클 프리드먼과 로렌스 R. 테일러가 1986년에 모든 다른 ℝ⁴를 열린 부분 집합으로 매끄럽게 포함하는 최대 별난 ℝ⁴가 존재함을 증명.


2. 1. 작은 별난 R⁴

표준 ℝ⁴의 열린 부분집합으로 매끄럽게 매장될 수 있는 별난 ℝ⁴를 작다고 한다.

작은 별난 ℝ⁴는 5차원 h-보충 경계 정리 (''h''-보충 경계 정리)가 4차원에서 실패한다는 사이먼 도널드슨의 연구 결과와 4차원 위상적 h-보충 경계 정리에 대한 마이클 프리드먼의 연구 결과를 바탕으로 구성할 수 있다.

2. 2. 큰 별난 R⁴

표준 ℝ⁴의 열린 부분 집합으로 매끄럽게 매장될 수 없는 별난 ℝ⁴를 '크다'고 한다.

큰 별난 ℝ⁴는 콤팩트 4차원 다양체가 위상적 합으로는 분해될 수 있지만(프리드먼의 연구), 매끄러운 합으로는 분해될 수 없다(도널드슨의 연구)는 사실을 이용하여 구성할 수 있다.

마이클 프리드먼과 로렌스 R. 테일러는 1986년에 모든 다른 ℝ⁴를 열린 부분 집합으로 매끄럽게 포함하는 최대 별난 ℝ⁴가 존재함을 증명했다.

3. 관련 별난 구조

프리드먼 정리에 따르면 캐슨 핸들은 D² × ℝ² (여기서 D²는 닫힌 단위 원판)와 위상동형이지만, 도널드슨 정리에 따르면 모두 D² × ℝ²와 미분동형은 아니다. 즉, 일부 캐슨 손잡이는 별난 D² × ℝ²이다.

3. 1. 별난 4차원 구

(2024년 기준) 별난 4차원 구가 존재하는지는 알려져 있지 않다. 그러한 별난 4차원 구는 4차원에서 매끄러운 일반화된 푸앵카레 추측에 대한 반례가 될 것이다. 몇몇 그럴듯한 후보는 글럭 비틀기로 주어진다.

참조

[1] 서적 Kirby 1989
[2] 서적 Freedman and Quinn 1990
[3] 논문 Taubes 1987
[4] 논문 Stallings 1962
[5] arXiv Abelian gerbes, generalized geometries and foliations of small exotic R^4 2014-08-28
[6] 서적 Kirby 1989
[7] 서적 Freedman and Quinn 1990
[8] 논문 Taubes 1987
[9] 논문 Stallings 1962
[10] 서적 Kirby 1989
[11] 서적 Freedman and Quinn 1990
[12] 논문 Taubes 1987
[13] 논문 Stallings 1962



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