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在环面上,经线也不形成对曲面的划分(见图3.4.4)。
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在环面上可以找到两条闭曲线,一条是子午线,一条是经线,它们组合起来仍不能形成对曲面的划分。但是,在环面上不可能找到第三条闭曲线,使这三条曲线合起来不形成对曲面的划分。这也就是说,环面上的任何三条闭曲线必定分环面为两个互不相连接的部分。这时拓扑学定义环面的连通阶为2。
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对一般曲面,连通阶定义为曲面上能不形成对曲面划分的最多闭曲线的数目。对球面而言,其连通阶为0。如图3.4.5那样的面包和双柄壶,其连通阶都是4。一般地,若在球面上开2p个小洞,然后按两个一组配成p组,对每一组沿洞的边缘粘上一个圆柱面,这样得到了一个有p个把柄的球面。这样的曲面的连通阶是2p。环面就是p=1的情况。数学家们证明,空间的闭曲面可以按连通阶分类:任何两个相同连通阶的曲面可以从一个用拓扑变换变成另一个。
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▲ 图3.4.3 环面切开后变成一个弯曲的圆筒形
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▲ 图3.4.4 在环面上,经线不形成对曲面的划分
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▲ 图3.4.5 连通阶为4的曲面
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但是这里仅限于双侧曲面,即它们分得出内侧与外侧。与这种曲面并存的还有所谓的单侧曲面。对单侧曲面来说,分不出曲面的两侧。最简单的例子是默比乌斯带。把一个矩形的纸条ABCD的AB边翻转和CD边黏合,使A和C黏合,B和D黏合(图3.4.6)。
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默比乌斯带不能区分两侧。从带上一点E沿着带的中线移动,移动一周后回到E点,虽然没有经过带的边界,但是已经到了与出发时不同的一侧。此外,默比乌斯带的边界由单独一条闭曲线组成。
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默比乌斯带是有边界的曲面,同样也存在单侧的闭曲面,即存在没有边界的单侧曲面。典型的例子是图3.4.7上的克莱茵曲面。设想把两条默比乌斯带沿边界上相互黏合起来可以得到克莱茵曲面。
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对单侧曲面也有上面所述的按连通阶分类的方法,但是各类曲面较难表现出来。
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2.多面体的欧拉公式
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对于一个多面体,我们用V表示其顶点数,用E表示其棱的数目,F表示其面的数目。数学家笛卡儿和欧拉先后独立地发现:对于任何的简单多面体,下面的公式总成立:
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▲ 图3.4.6 默比乌斯带是单侧曲面
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◀ 图3.4.7 克莱因曲面是没有边界的单侧曲面
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V-E+F=2.(1)
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所谓“简单多面体”,是指一个没有“洞”的多面体。如在图3.4.8中,图(a)和(b)是简单多面体,图(c)不是简单多面体。
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上述公式(1)通常称为“欧拉公式”。例如对于图3.4.8(a)所示多面体,V=8,E=12,F=6,满足
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