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穴の数と向きづけだけで閉曲面は決まる(分類定理と基本多角形)

閉じた曲面は、たった つの情報で決まります。オイラー標数と、向きづけできるかどうか[3]。

この つが一致すれば同相です。曲面がどれだけ複雑に曲がっていても、位相の目には穴の数しか映りません。

以下では分類の主張から始め、基本多角形と辺の語、連結和、そして境界がある場合まで扱います。

主張

連結な閉曲面は、次の つのどれかと同相です[1,3]。

球面 。
個のトーラスの連結和()。
個の実射影平面の連結和()。

つの族は互いに重なりません。どの曲面がどれに入るかは、標数と向きづけの つで読めます。

向きづけ可能な側は標数が偶数、できない側は偶数も奇数もとります。

例: 標数と向きづけで表を作る

標数を大きいほうから並べます。 は球面、 は射影平面。

は つあります。向きづけ可能ならトーラス、できないならクラインの壺です。

は射影平面 つの連結和、 は種数 の曲面か射影平面 つの連結和。

同じ標数でも向きづけの有無で分かれる、という構図がくり返されます。標数だけでは足りません。

基本多角形

分類を証明する道具が多角形です。曲面を三角形分割し、切り開いて 枚の多角形に平らに広げます。

辺は 本ずつ組になって貼り合わされます。多角形の周を 周し、辺の名前を順に読んだものを辺の語といいます[2]。

同じ文字が 回現れ、向きがそろっていれば と 、逆向きなら と と書きます。

例: 4 つの標準形

代表的な曲面の辺の語を並べます[2]。

球面は とも書けます。 角形の 辺を貼り合わせた形です。

トーラスとクラインの壺は、 文字の指数だけが違います。 か かで、向きづけできるかどうかが分かれる。

射影平面は とも書けます。円板の縁を対蹠点どうし貼った形と同じです。

例: 種数 g の標準形

向きづけ可能な種数 の曲面は、 角形から作れます[2]。

交換子を 個並べた語です。 でトーラスの語に戻ります。

向きづけできない側は、もっと短く書けます。 角形で 個の文字を 度ずつ並べる。

で射影平面、 でクラインの壺です。

連結和

つの曲面から円板を つずつ抜き、できた境界の円を貼り合わせる操作を連結和といいます[4]。

標数は素直に足し算になります。円板 枚が消え、円 本が加わるためです。

球面は単位元です。 で、抜いて貼り直しても形が変わりません[4]。

例: 標数を足してみる

トーラス つの連結和を計算します。 なので、。

種数 の曲面の標数 と合っています。連結和が穴を つ増やす操作だと分かります。

射影平面 つなら 、さらに です。公式の と一致します。

例: 射影平面 2 つはクラインの壺

を調べます。標数は 。

向きづけできない曲面どうしの和なので、結果も向きづけできません。標数 で向きづけ不可能な閉曲面はクラインの壺だけです。

多角形の側でも見えます。射影平面 つの語 が、辺の張り替えでクラインの壺の語に直せます。

クラインの壺を、 つのメビウスの帯を縁で貼ったものと見る図が対応します。

例: ディックの定理

向きづけできない曲面に、さらに穴を足すとどうなるか。

左辺の標数は 、右辺も です。どちらも向きづけできません。

分類定理から、標数と向きづけが一致すれば同相。よって等しくなります[1]。

向きづけできない曲面がすでにあると、ハンドルを つ付けることと交叉帽を つ足すことが同じになる。 つの族に重なりがない理由も、この関係が支えています。

種数の意味

向きづけ可能な曲面では、 を種数といいます。ハンドルの本数、あるいは穴の個数です。

次ホモロジーの階数が になります。ハンドル 本につき、まわりを回る道と通り抜ける道が 本ずつ増えるためです。

向きづけできない側では を非向きづけ種数といいます。 次ホモロジーは で、ねじれが つ現れる。

証明の筋

証明は 段で進みます[3]。

第 段は三角形分割です。コンパクトな曲面はいつでも三角形に分けられます。分けたら 枚ずつ切り離し、辺で貼り直して 枚の多角形に開きます。

第 段は辺の語の正規化です。同じ文字が隣り合って となっていれば消せます。離れている組は、多角形を対角線で切って貼り直すと隣へ寄せられる。

この操作をくり返すと、語が か の形に落ちます。

第 段は、得られた つの族が互いに異なることの確認です。標数を計算し、向きづけできるかどうかを見れば区別できます。

境界のある曲面

境界を許すと、決めるべき数が つ増えます[1]。

向きづけできるかどうか、種数、そして境界の成分の個数 。この つで同相の型が決まります。

閉曲面から円板を 枚抜いた形です。抜くたびに標数が ずつ減ります。

例: 3 つの数で決まる

円板は , で 。円環は , で です。

メビウスの帯は向きづけできず、, で になります。円環と標数が同じですが、向きづけの有無で分かれる。

ズボンと呼ばれる曲面は , で です。 つの境界円を持つ球面で、曲面を切り分ける単位として使われます。

種数 で境界 の曲面は、ズボンを 枚貼り合わせて作れます。分類定理があるので、貼り方の違いは結果に効きません。

参考文献

Surface (topology)) - Wikipedia(英語)
Fundamental polygon - Wikipedia(英語)
Klassifikation der Flächen - Wikipedia(ドイツ語)
Connected sum - Wikipedia(英語)
オイラー標数と向きづけの有無、この $2$ つが一致すれば閉曲面は同相です。正方形の辺の貼り方を $abab^{-1}$ のように書き下すと、球面・射影平面・トーラス・クラインの壺が指数 1 つの違いで分かれます。連結和で標数が $\chi_1 + \chi_2 - 2$ になること、射影平面 2 つがクラインの壺になること、向きづけできない曲面ではハンドル 1 本と交叉帽 2 つが同じになることまで計算で確かめました。境界がある場合は数が 1 つ増えます。