拓樸學:連續性的幾何

曲面的虧格(genus)

/ JEE-nus /

曲面的虧格,用最親切的話說,就是洞的個數——或者更仔細地說,把手的個數。球面的虧格是 0:沒有洞、沒有把手。甜甜圈(環面)的虧格是 1:有一個你能伸進一根手指的洞,等價於一個把手。兩個洞的甜甜圈,像個有點蝴蝶餅味道的雙環面,虧格是 2,依此類推。虧格是那個單一的計數,它與可定向性合在一起,就完全確定了你眼前是哪一個緊緻曲面。

為了不靠揮手就把「洞的個數」說精確,拓樸學家用兩種等價的描述之一。其一:虧格 g 是你為了造出該曲面、要黏在球面上的把手數——從一個球面出發,黏上 g 個把手(管子),你就有了虧格 g 的可定向曲面。其二,較具操作性:虧格是你能在曲面上畫出並沿其剪開、卻不把曲面分成兩片的、互不相交的封閉曲線之最大條數。在球面上任何封閉曲線都把它剪成兩半(虧格 0);在環面上你能沿一條迴圈剪——比如繞著管子——而仍是一塊相連的,但第二條獨立的這種剪法就會把它分開(虧格 1)。

虧格是拓樸不變量:它在任何拉伸彎曲下都不會改變,所以它證實了比如球面與環面是真正不同的曲面——沒有任何同胚能把 0 個洞變成 1 個。它透過閉的可定向曲面上的 chi = 2 - 2g 直接與尤拉示性數相連,這也是你能藉由數任一三角剖分的頂點、邊、面來算出虧格的方法。誠實的告誡:「洞的個數」直觀卻在隨口說時滑溜——虧格數的是把手(你能穿過去的洞),而一個中空的球面,儘管圍住了空腔,虧格仍是 0,因為那個被圍住的空腔不是把手。

一個咖啡杯的虧格是 1:別管杯碗的部分(那只是個凹陷,可以變形掉),拓樸上剩下的就是把手、一根單一的管子——恰好一個能穿過的洞,就像甜甜圈。一副眼鏡框(兩個鏡圈由鼻樑相連)虧格是 2:兩個洞。而一顆有四個線孔的鈕扣,把它所在的圓盤算進去後虧格是 3——每一個鑽穿的孔都讓虧格加一。

虧格數的是能穿線的洞:咖啡杯 1、眼鏡框 2、四孔鈕扣 3。

虧格數的是把手(你能穿東西過去的洞),而非被圍住的空腔:一顆中空的球圍住了空間,虧格卻是 0,與實心球面相同。

又称
number of handlesnumber of holes虧格把手數