종이를 비틀어 붙이면, 잘 쓰던 식도 함수가 아닐 수 있을까?

같은 점으로 합쳐지는 경계의 두 좌표에서 값의 일치를 검사해 함수 성립을 판단한다.

흰 바탕의 말린 초록색 실제 줄자와 길이 눈금

사진: Jacek Halicki · CC BY-SA 4.0 · 원본 출처

0≤x≤1, −1≤y≤1인 종이의 양끝을 (0,y)와 (1,−y)가 같은 점이 되도록 잇는다. 다른 점은 합치지 않는다. 붙인 띠의 점마다 한 값을 주려 할 때 그대로 쓸 수 있는 식을 골라라.

f(x,y)=y,g(x,y)=y2.f(x,y)=y,\qquad g(x,y)=y^2.

잇기 전에는 두 식 모두 직사각형 위의 함수다. 그러나 붙인 뒤에는 좌표 두 쌍이 실제로 한 점을 나타낸다. 어느 좌표로 그 점을 불러도 값이 같아야 한다. f는 y=1인 쌍 하나만으로 모순이 드러난다.

g는 모든 경계 쌍에서 제곱이 같고, 다른 점에는 좌표가 하나씩 있으므로 충돌하지 않는다. 일반식도 다음 조건으로 판정한다.

h(0,y)=h(1,−y)(−1≤y≤1).h(0,y)=h(1,-y)\quad(-1\le y\le1).

좌표를 일대일로 붙여야 한다는 요구는 아니다. 좌표가 여러 개여도 값이 일치하면 함수로 쓸 수 있다. y²는 y의 부호를 구별하지 않으므로 뒤집어 이은 경계를 통과한다.

교사는 같은 점으로 붙일 쌍에 두 값을 써 보게 한다. 식이 계산된다는 사실과 그 식을 정의하려는 대상 위의 함수 성립은 다르다. 모비우스 띠의 경계 대응만 사용하는 모형이며 모든 위상 성질을 증명했다는 뜻은 아니다.

착안 원문: Mobius Bands. 조건·문항·증명은 새로 작성했다. 원문 그림이나 활동 지시의 번역이 아니다.