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Assignment 1

MATH3900 — Geometry and Topology

2022

Geometry

1.  (a)  [2 marks]   Let A and B be points represented by complex numbers 1 + 2i and 3 + 3i respectively. Find the point C (corresponding with x + iy) such that triangle ABC has side-length AC = 4AB and ∠BAC is π clockwise.

Solution:     It follows from the given conditions that zC zA = 4eiπ/6(zB  zA ),  (1 mark)

 

 

(b)  [2 marks]   Let a = 1, b = 2 + i, c = 1 + 3i, d = 5 2i, e = x + iy , f = 2 + 7i be complex

 

 

 

 

 

=                       =⇒                        =

Solving this equation for e, we obtain

e  (5 2i)         (1 + i)(2 3i)         1

3 + 9i         ( 2 + 3i)(2 3i)

Hence a =  and b =  .   (1 mark)

2.  (a)  [2 marks]   Find the equation (in the form R(z) = az + b) of the isometry R which is the rotation

around the point (1 + i) by an angle π anticlockwise.

Solution:     The Rotation R is given by  (1 mark)

R(z) = eiπ/3 (⃞z (1 + i))⃞ + (1 + i); where   eiπ/3 = cos π + i sin π =  (⃞ 1 + 3i)⃞

Expanding and simplifying, we obtain:

R(z) =  (⃞ 1 + 3i)⃞z + (1 + i)  (⃞ 1 3i)⃞ =  (⃞ 1 + 3i)⃞ z +  (⃞ 1 + 3 + (1 3)i)⃞ . Hence a =  (⃞ 1 + 3i)⃞ and b =  (⃞ 1 + 3 + (1 3)i)⃞ .   (1 mark)

(b)  [2 marks]   Let m be the line passing through the points 1 + i and 4 3i.

Solution:      Since it is a reflection, write F(z) = a + b.  Now the two points 1 + i and 4 3i on

the line m are fixed points; hence F(1 + i) = 1 + i and F(4 3i) = 4 3i.

This gives us the two equations:                                                       (1 mark)      Now (2) (1) gives

a(3+4i) = 3 4i so that a =3(3)  7 24i . Thus we have b = 1+i a(1 i) = (56+42i).

Hence F(z) =25(1) [⃞(7 24i)  + 14(4 + 3i)]⃞ .   (1 mark)


(c)  [2 marks]   Find the equation of the isometry U which is the translation along the line m in part (b) by a length 2 (in the direction of increasing x), then reflecting across the line m.

Solution:     A vector u along line m is u = (4 − 3i) − (1 + i) = 3 − 4i and ||u|| = 32 + 42 = 5.

 

 

F(z) +  (3 4i). Hence

U(z) =  (⃞(7 24i)  + 14(4 + 3i))⃞ +  (3 4i) =  (⃞(7 24i)  + 2(43 + i))⃞ . (1 mark)

(d)  [2 marks]   Let f(z) = iz 1 + i. Find all fixed points of f .

Solution:     The fixed points of f are given by z = f(z) = iz 1 + i, hence (1 + i)z = 1 + i,

Because  f  is  a direct isometry,  it is  a rotation with centre  z  =  i.   So it will have the form

f(z) = eiθ (z − i) + i for some rotation angle θ, and we infer that eiθ  = −i, hence θ = π . Thus,

 

3.  [3 marks] Show that in an arbitrary quadrangle, the midpoints of the four sides are the vertices of a

 


parallelogram.

 

 

 


 D


 

Solution:     Let the vertices of the quadrangle A,B,C,D be represented by a, b, c, and d in C. The midpoints M1,M2 ,M3  and M4  of the sides, in order are given by

 


1 =


a + b 2   ,


2 =


b + c 2   ,


3 =


c + d

2   ,


m4 =    2    . (1 mark)


The displacements between midpoints are

b + c a b      c a

m3  m2 =                       =

m4 m3 =                        = m1 m2 = (m2 m1 )


m1 m4 =


a + b d a


= m2 m3 = (m3 m1 ). (1 mark)


When two displacement vectors are non-zero real multiples of each other,  then the corresponding segments are parallel. Hence M1M2M3M4  is a parallelogram.   (1 mark)


Topology

4.  [3 marks] Consider the following subsets of R2:

A = {⃞(a,0) : a R} ∪ {(0,b) : b R}⃞

B = {⃞(c,c) : c R} ∪ {(d, d) : d R}⃞

C = {⃞(0,b) ∈ R2  : b R}⃞ .

(a)  [2 marks] Show that A and B are homeomorphic by writing down an explicit homeomorphism

f : R2 → R2  such that f(A) = B .

[You should check that f is invertible,  but you don’t need to  check that f or f 1  are continuous].  Solution:     The space A is given by the union of the x- and y-axes in the plane. The space B is

given by the union of the lines y = x and y = x:

 

an angle of π .

To  obtain  a  precise  formula  for  the  function  f,  note  that  rotation  about  the  origin  is  a  linear

transformation which sends (1, 0) to (1, 1)/2 and sends (0, 1) to ( −1, 1)/2. It follows that f is

Alternatively f could rotate by any of ±4(1)π or ±4(3)π, and could scale by any positive factor.

(b)  [1 mark] Give an argument which explains why A and C are not homeomorphic.

Solution:     Remove the point (0, 0) from A; the resulting space has four connected components. But there is no point in C which leaves more than 3 components when removed.

5.  [4 marks]   Let S be an arbitrary set in the real line R.

• A point b ∈ R is called a boundary point of S if every ε-neighbourhood of b intersects both S and its complement R \ S .

• A point s ∈ S is called an interior point of S if there exists an ε-neighbourhood of s completely contained within S . The set of interior points of S is denoted int S .

• A point t ∈ S is called an isolated point  of S if there exists a neighbourhood U of t such that U ∩ S = {t}.

• A point r ∈ R is called an accumulation point of S if every neighbourhood of r contains points of S distinct from r .

Find the boundary and interior of the following spaces:    (i) (0 , 4)    (ii) [ 1, 2]    (iii) R    (iv)  .

Solution:       (i) The interval  (0, 4) has no isolated points and is its own interior;  its boundary is {0} ∪ {4} and the set of accumulation points is the closed interval [0 , 4]. (1 mark)

(ii) The interval  [ 1, 2] has no isolated points and is its own set of accumulation points; its interior is

the open interval ( 1, 2), with boundary being {−1, 2}. (1 mark)

(iii) The set R is its own interior and set of accumulation points; it has no boundary nor any isolated points. (1 mark)

(iv) The empty set ∅ has no points, so there is no interior, no boundary, nor any accumulation nor isolated points. (1 mark)

6.  [8 marks]   Join the maps in this atlas to get a PIE.

 


b ↓↓

  c


 

e


 

 

↑↑   f

d


         e

 

g


Taking into account identified edges, determine how many different vertices there are for the PIE, how many edges, the Euler characteristic, and classify the surface into the form mD + nT + rP, for some numbers m, n and r .

Solution:     There are many ways to join the maps to get a PIE. Here’s one answer: move the polygons around a bit, flipping some over; make identifications (1 mark)  and redraw (2 marks) :

 


 

↓               ↓↓ f

a

b

↓↓ ↓↓

 c

g

↓↓

 

  g

 

Classify this surface as follows.   (5 marks total)


 

 

Q      Q

          a ↖ d

b↓↓  ↓↓f

g    c              •  P

Q Q(•)gR     S


• there are 2 × 5 + 2 × 4 = 18 edges in the maps of the atlas, with 7 identifications;  (1 mark)

• taking into account the identifications, there are just 4 distinct vertices;  (1 mark)

• tracing along unidentified edges until returning to the starting point, we find 2 holes;  (1 mark)

•  with 4 faces, we get χ = E+F = 4 11+4 = 3, so that the weight is χ0  = 2 χ = 5;  (1 mark)

alternatively, there is  1 face  (the dodecagon) with  12 4 = 8 edges, giving χ = 4 8 + 1 = 3

• there are 3 like-pairs, so the surface is non-orientable: 3P + 2D.   (1 mark)