אוריינטציה (במתמטיקה) היא התייחסות לצורה הנמצאת במרחב דו-ממדי, כמסתובבת עם כיוון השעון או נגדו, ולצורה הנמצאת במרחב תלת-ממדי כ"ימנית" או "שמאלית". באלגברה ליניארית לאוריינטציה, בממד כלשהו, משמעות שונה. האוריינטציה של בסיס סדור היא סוג של א-סימטריה שגורמת לכך שלא ניתן יהיה לשכפל את בבואתו של הבסיס, על ידי סיבוב פשוט. דוגמה לכך ניתן למצוא, בשלושה ממדים, בבבואתו של אדם: לא ניתן להפוך את ידו השמאלית של אדם לידו הימנית על ידי סיבוב פשוט, אבל ניתן לעשות זאת על ידי שיקוף בבואתו במראה. כתוצאה מכך, במרחב התלת ממדי האוקלידי, שתי אוריינטציות הבסיס האפשריות נקראות: ה"ימנית" וה"שמאלית" (או הכיראל הימני והכיראל השמאלי).
האוריינטציה על מרחב וקטורי ממשי, היא הבחירה השרירותית של איזה בסיסים סדורים מסתובבים לכיוון חיובי, ואיזה לכיוון שלילי. במרחב תלת-ממדי אוקלידי, מתייחסים בדרך כלל לבסיסים ימניים כמסתובבים לכיוון חיובי (עם זאת, הבחירה היא שרירותית, וניתן גם לייחס להם אוריינטציה שלילית).
מרחב וקטורי עם אוריינטציה, נקרא "מרחב וקטורי סיבובי", בעוד מרחב ללא אפשרות של אוריינטציה נקרא: "א-סיבובי".
הגדרה.
נסמן את הממד הסופי, במרחב הווקטורי הממשי, ב-"V", ונסמן ב-"b"1 וב-"b"2 שני בסיסים סדורים של "V". תוצאה ידועה באלגברה ליניארית היא שקיימת העתקה ליניארית "A": "V"→"V" שהופכת את "b"1 ל-"b"2. יוצא מכך, שלבסיסים "b"1 ו-"b"2 יש את אותה אוריינטציה אם ל-"A" יש דטרמיננטה חיובית, ואוריינטציה הפוכה אם אין לו. התכונה, שיש להם את אותה אוריינטציה, מגדירה יחס שקילות על המערכת של כל הבסיסים הסדורים של "V". אם "V" שונה מאפס, קיימים בדיוק שני חוגי שקילות שמוגדרים על ידי היחסים הנ"ל. אוריינטציה על "V" היא העברה של 1+ לחוג שקילות אחד ו-1− לשני.
כל בסיס סדור נמצא בחוג שקילות כזה או אחר. בהתאם לכך, כל בחירה של בסיס סדור מועדף עבור "V" קובעת אוריינטציה: חוג האוריינטציה של הבסיס המועדף מוכרז כחיובי. לדוגמה, הבסיס הסטנדרטי על R"n" מספק אוריינטציה סטנדרטית על R"n" (במקרים אחרים, האוריינטציה של הבסיס הסטנדרטי תלויה באוריינטציה של מערכת הצירים הקרטזית שעליה הוא בנוי). כל בחירה של איזומורפיזם ליניארי בין "V" ל-R"n", במקרה כזה, תספק אוריינטציה על "V".
סדר האלמנטים על הבסיס הוא מכריע. שני בסיסים עם סידור שונה יהיו שונים זה מזה בכמה תמורות. מה שיקבע אם האוריינטציות שלהם יהיו זהות או הפוכות, הוא חתימת התמורה שלהם (אם היא 1+ או 1−). זאת בגלל שהדטרמיננטה של מטריצת התמורה שווה לחתימה של התמורה הנלווית.
באופן דומה, נסמן את "A" כמיפוי ליניארי א-סינגולרי של המרחב הווקטורי R"n" עד R"n". מיפוי זה הוא "שימור אוריינטציה" אם הדטרמיננטה שלו היא חיובית. לדוגמה, ב-R³, סיבוב מסביב לציר ה-"Z" הקרטזי בזווית של "α", הוא "שימור אוריינטציה".
בעוד ששיקוף במישור הקרטזי "XY" הוא לא "שימור אוריינטציה".
אוריינטציה (מתמטיקה)
במתמטיקה ובפרט בטופולוגיה וגאומטריה, אוריינטציה היא מבנה שניתן (לעיתים) להגדיר על אובייקט גאומטרי. בדרך כלל מגדירים את המבנה על יריעה, אך לא על כל יריעה ניתן להגדיר אוריינטציה. יריעה שעליה ניתן להגדיר
אוריינטציה נקראת אוריינטבילית. על יריעה אוריינטבילית קשירה ניתן להגדיר בדיוק שתי אוריינטציות. שתי האוריינטציות האלה נקראות מנוגדות (או לעיתים הפוכות). אם מסמנים אחת מהן ב-formula_1 אז את השנייה מסמנים ב-formula_2. יריעה אוריינטבילית שעליה נקבעה אוריינטציה נקראת מכוונת (oriented).
המשמעות האינטואיטיבית של אוריינטציה היא כיוון. לדוגמה, בחירת אוריינטציה על עקום, שקולה לבחירת כיוון התקדמות לאורך העקום. בממדים גבוהים יותר, מושג האוריינטציה הופך מורכב, אך במקרים מסוימים עדיין ניתן לתארו בצורה אינטואיטיבית. לדוגמה, בחירת אוריינטציה על משטח במרחב, שקולה לבחירת "צד" של המשטח. כיון שלטבעת מביוס לא ניתן "לבחור צד", היא אינה אוריינטבילית.
באופן פורמלי, ניתן להגדיר את המושג אוריינטציה על מרחב ליניארי ממשי בתור מחלקת שקילות של בסיסים תחת יחס השקילות הבא: שני בסיסים שקולים אם הדטרמיננטה של מטריצת המעבר ביניהם היא חיובית.
אוריינטציה על יריעה חלקה היא אוריינטציה על המרחב המשיק לכל נקודה "התלויה באופן רציף" בנקודה.
באופן פורמלי, על יריעה חלקה formula_3 ממדית ניתן להגדיר את מושג האוריינטציה בתור מחלקת שקילות של תבניות דיפרנציאליות הפיכות ממעלה formula_3 תחת יחס השקילות הבא: שתי תבניות הפיכות שקולות אם המנה שלהן היא פונקציה חיובית.
על יריעה טופולוגית formula_3-ממדית קשירה formula_6 וסגורה בחירת אוריינטציה שקולה לבחירת יוצר של חבורת ההומולוגיה העליונה formula_7. יוצר זה נקרא המחלקה היסודית של היריעה.
על יריעה טופולוגית formula_3-ממדית formula_6 כללית ניתן להגדיר את מושג האוריינטציה בתור התאמה "רציפה" של יוצר של חבורת ההומולוגיה היחסית formula_10 עבור כל formula_11.
בניות רבות בגאומטריה בכלל וטופולוגיה דיפרנציאלית בפרט, מתבססת על בחירת אוריינטציה. למשל, מכפלה וקטורית במרחב אוקלידי (תלת ממדי), אינטגרציה של תבנית דיפרנציאלית על יריעה, מעלה של העתקה בין שתי יריעות (מאותו ממד), אינדקס חיתוך של שתי תת-יריעות (מממדים משלימים), דואליות פואנקרה , וקובורדיזם . כמו כן, ניתן להגדיר כמה אינווריאנטים של יריעות באמצעות מושג האוריינטציה. למשל, אוריינטביליות וכיסוי האוריינטציות.
בניות המתבססות על מושג האוריינטציה תלוית בדרך כלל ב"מוסכמות סימן", כגון כלל יד ימין, מושג הכיוון החיובי וכדומה. בערך זה נשתמש במוסכמות המקובלות ביותר, אך ישנן גם מוסכמות אחרות הנמצאות בשימוש.
מבוא אינטואיטיבי.
מושג האוריינטציה הוא מופשט, וקשה באופן כללי לתיאור אינטואיטיבי, אולם במקרים פרטיים הדבר אפשרי.
אוריינטציה על עקום.
בחירת אוריינטציה על עקום שקולה לבחירת כיוון התקדמות לאורך העקום. באופן גרפי מקובל לעשות זאת על ידי סימון חץ על העקום. אם העקום אינו קשיר, יש לשים חץ על כל רכיב קשירות.
מכאן אנו רואים שמספר האוריינטציות על עקום עם formula_3 רכיבי קשירות הוא formula_13. עובדה זו נכונה גם בממדים גבוהים יותר.
אם העקום נמצא במישור אז בחירת כיוון התקדמות לאורך העקום שקולה לבחירת צד של העקום באופן הבא: אנו מתאימים לכיוון התקדמות מסוים את הצד שנמצא לימיננו כאשר אנו מתקדמים לאורך העקום בכיוון הנבחר.
אוריינטציה על משטח במרחב.
אמנם לא ברור מה המשמעות של "כיוון התקדמות לאורך משטח" אבל ניתן לבחור צד למשטח הנמצא במרחב,
בחירה כזאת מגדירה אוריינטציה על המשטח. בחירת צד של המשטח שקולה לבחירת שדה וקטורי נורמלי למשטח המכוון לעבר הצד הנבחר. הגדרה זו של אוריינטציה ניתנת להכללה לממדים גבוהים יותר, אולם היא תקפה רק למשטחי-על , זאת אומרת ליריעות formula_14 ממדיות בformula_15.
בחירת שדה נורמלי למשטח מגדירה, באמצעות כלל יד ימין, כיוון סיבוב במשטח. בחירה של כיוון כזה היא דרך נוספת להגדיר אוריינטציה על המשטח.
אוריינטציה על מרחב אוקלידי ומכפלה וקטורית.
כדי להמחיש את מושג האוריינטציה על מרחב אוקלידי תלת-ממדי נשתמש במושג המכפלה הווקטורית. נשים לב כי מושג המכפלה הווקטורית מוגדר רק עבור מרחבים אוקלידיים ספציפיים, למשל formula_16 או המרחב הפיזי הסובב אותנו. לא ניתן להגדיר מכפלה וקטורית על מרחב אוקלידי תלת-ממדי מופשט. הסיבה לכך היא שלכלל יד ימין אין משמעות במרחב אוקלידי מופשט. ניתן להתייחס אל מושג האוריינטציה בתור המבנה שנדרש כדי שלכלל יד ימין תהיה משמעות.
על כל מרחב אוקלידי תלת-ממדי ניתן להגדיר מכפלה וקטורית (ולתת משמעות לכלל יד ימין) על ידי בחירת בסיס אורתונורמלי (סדור) למרחב. אולם בסיסים שונים עלולים לתת תוצאות מנוגדות. ניתן להראות שאם דטרמיננטת מטריצת המעבר בין שני בסיסים היא 1 אז הם יובילו לאותה תוצאה. אולם אם דטרמיננטה זו היא 1- אז התוצאות תהיינה מנוגדות. לאור אבחנה זו, ניתן להגדיר את מושג האוריינטציה על מרחב אוקלידי בתור מחלקת שקילות של בסיסים אורתונורמליים תחת יחס השקילות הבא: שני בסיסים אורתונורמלים שקולים אם דטרמיננטת מטריצת המעבר ביניהן היא 1. הגדרה זו תקפה לממדים גבוהים יותר, אולם מוגבלת למרחבים אוקלידיים.
העתקות שומרות אוריינטציה.
ניתן לגשת למושג האוריינטציה דרך המושג של העתקות שומרת אוריינטציה.
נתרכז תחילה במקרה הדו-ממדי. כל יריעה דו-ממדית נראית מקומית כקבוצה פתוחה במישור. ניתן לחשוב על קבוצה כזו כעל פיסת בד גמישה מאוד. נניח את היריעה על המישור ונצבע את צידה העליון של היריעה בשחור ואת התחתון בלבן. העתקה מהיריעה למישור היא תהליך שלוקח כל נקודה ביריעה לנקודה חדשה במישור. העתקה כזאת נקראת רציפה אם היא אינה קורעת את היריעה. ההעתקה נקראת שיכון אם נקודות שנות עוברות לנקודות שנות. שיכון רציף שומר אוריינטציה אם הצד השחור נשאר למעלה.
דרך אחרת להבין אם העתקה שומרת אוריינטציה היא להחליף את פיסת הבד בפיסה שקופה, לצייר עליה ציור של אדם העונד שעון על ידו השמאלית ולהפעיל את ההעתקה. האדם עלול להסתובב ולהתעוות. אולם אם עדיין השעון נמצא על ידו השמאלית אז ההעתקה שומרת אוריינטציה, אם השעון נראה על ידו הימנית אז ההעתקה הופכת אוריינטציה. תיאור זה מראה כי סיבובים שומרים אוריינטציה בעוד ששיקופים הופכים אותה.
באופן כללי העתקה ליניארית שומרת אוריינטציה אם ורק אם הדטרמיננטה שלה חיובית. העתקה חלקה שומרת אוריינטציה אם ורק אם הדיפרנציאל שלה בכל נקודה שומר אוריינטציה. עובדה זו תקפה לממדים גבוהים יותר.
אוריינטציה וטריאנגולציה.