“若 $F$ 的亏格为 $g$、边界分支数为 $r$,则 Euler 示性数为 $$\chi(F)=2 2g r.$$ 结只有一个边界分支,所以 $\chi(F)=1 2g$。这里描述的是某一…”
形式陈述
有向结
Seifert 曲面的存在保证候选集合非空,非负整数的良序性保证最小值存在。环境同痕把曲面及其亏格一同搬运,因此
对两个有向结
这里讨论三维中的普通 Seifert 亏格;若允许曲面进入四维球并研究 slice genus,那是不同的不变量,不能把本定理直接移过去。
直觉
亏格数的是:要让这个空间绳圈成为一张双面曲面的边界,至少需要几个把手。某张图的 Seifert 算法通常容易给出一张曲面,因此容易得到上界;证明所有更简单曲面都不可能存在,才是下界的困难。
连通和把两个打结部分放在绳圈上相邻的两个区域。用窄带连接两张曲面的边界,不会创造额外把手,所以上界看得见。可加定理更强:它还说不能利用整体摆放把其中一部分所需的把手“借给”另一部分,从而把总数压低。
例子与边界
三叶结的上下界必须同时给
三叶结的标准三交叉图有两个 Seifert 圆、三条带,因此构造曲面的 Euler 示性数为
另一方面,Alexander 多项式为
也可以用平凡结判别替代多项式下界:亏格为零、边界只有一个圆的可定向曲面是圆盘;一个光滑嵌入圆盘的边界是平凡结。而三叶结的结群非交换,所以不是平凡结,亏格不能为零。这里用到了“嵌入圆盘”,单纯写一个可能自交的圆盘映射没有这种结论。
两个三叶结的连通和
把两张亏格一、各有一个边界分支的曲面沿边界作窄带连接。得到一张连通曲面,Euler 示性数为
新边界仍只有一个分支,所以
配对环路可以分别留在两张原曲面上,使跨两块的环绕数为零,因此 Seifert 矩阵为块对角矩阵,多项式相乘:
跨度为
推论与应用
可加定理的证明机制
一般上界完全由刚才的边界连接构造给出。下界取连通和结的一张最小亏格曲面
这一步是证明的实质,不能仅凭画图假定没有其他交圈。沿该弧切开
结合上界即得等式。标准证明对多余交圈的处理见参考资料,那里使用三维嵌入曲面的性质,而不只是抽象曲面分类。
最小亏格不等于最小交叉数,也不等于某一张算法曲面的亏格。不同图可产生不同亏格的 Seifert 曲面,多项式跨度下界也未必总是达到。得到一个上界或一个下界时,应保留不等号,直到两者相遇。
可加性还说明两个非平凡结不能通过连通和互相抵消成平凡结:非平凡结的亏格均至少为一,总亏格为正。这与“镜像是连通和逆元”的直觉相反;镜像可以反转某些符号,却不会把非负的三维亏格变成负数。
参考资料
- José Pedro Quintanilha,Knot Theory, Lecture 4: The Connected Sum,连通和的定义、良定义性与亏格可加证明;Lecture 3,结亏格与平凡结。
- W. B. R. Lickorish,An Introduction to Knot Theory,Ch. 2,Seifert 曲面、结分解及亏格可加。