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The Lumenary
Sendero del AsombroOpcional · nunca se calificaParte de Complex numbers

Loops around a hole

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1

La pregunta

Walk around a tree and come back to where you started. How many times did you go around it? Can you change that number by wandering differently — without ever walking through the tree?

Prueba el experimento antes de seguir leyendo. No hay una forma equivocada de explorar.

2

Experimento

Dar vueltas alrededor de un agujero

Sigue un lazo cerrado y cuenta cuántas veces rodea cada agujero: vueltas en sentido antihorario menos vueltas en sentido horario.

p₁

Arrastra un agujero para moverlo. Pulsa Reproducir para que el punto recorra el lazo, o usa el control deslizante. El cuadradito marca el inicio.

Número de vueltas alrededor de p₁1

(1/2πi)∮ dz/(z − p₁) ≈ 1.000 + 0.000i

Vueltas recorridas hasta ahora por cada flecha discontinua:

p₁: 0.00

El número de vueltas se obtiene sumando los pequeños cambios de dirección de la flecha que va del agujero al punto móvil y dividiendo el total entre 360°. El sentido antihorario cuenta como positivo.

Dos lazos en el plano con un agujero se pueden deformar uno en otro, sin cruzar nunca el agujero, exactamente cuando tienen el mismo número de vueltas. En el lenguaje de la topología: el grupo fundamental del plano perforado, como el de la circunferencia, son los enteros, π₁ = ℤ.

Un vínculo con el análisis complejo: piensa en el plano como los números complejos y en un agujero como un punto a. Entonces (1/2πi)∮ dz/(z − a) es igual al número de vueltas alrededor de a. Los valores de arriba se calculan numéricamente a lo largo del lazo.

3

Pistas, si las quieres

    4

    Qué está pasando

    Qué está pasando

    The number of times a closed path goes around a point is its winding number. If the point is aa and the path is traced by a complex number z(t)z(t), the winding number is the total change in the argument of z−az - a, divided by 2π2\pi. It is always a whole number, because the path ends where it began.

    Here is the key fact: if you deform a loop continuously without ever passing through aa, its winding number cannot jump — a whole number that changes continuously cannot change at all. So loops in the plane with a hole are sorted by their winding number, and two loops can be deformed into each other exactly when their winding numbers agree. In the language of topology, the fundamental group of the plane with one point removed is Z\mathbb Z.

    Complex analysis computes the same number with an integral:

    12πi∮dzz−a=winding number.\frac{1}{2\pi i}\oint \frac{dz}{z - a} = \text{winding number}.

    Winding numbers even give a proof sketch of the fundamental theorem of algebra. A polynomial zn+…z^n + \dots maps a very large circle to a loop that winds nn times around 00, while a tiny circle near the origin maps to a loop that winds 00 times around 00 unless p(0)=0p(0) = 0. Shrinking the circle changes the winding number from nn to 00, which can only happen if the image loop passes through 00 somewhere — that is, if the polynomial has a root. (Turning this sketch into a proof takes care; see the fundamental-group lesson.)

    With two holes the story changes: loops are no longer classified by two winding numbers, because going around one hole and then the other is different from the reverse order. The fundamental group becomes non-commutative.

    Probado computacionalmenteRedactado con IA · pendiente de revisión humana
    5

    Adónde lleva esto