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π1(X1,x1)=F(〈a〉,〈b〉),
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〈a〉,〈b〉分别是图4-27中所示闭路a,b在X1中的闭路类.取ω是X1中从x0到x1的道路类,则同构ω#把〈d〉映为ω-1〈d〉ω=〈a〉2〈b〉2.于是
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用同样办法计算任何闭曲面的基本群,得到
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下面介绍基本群的几个应用.
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5.3 完成闭曲面分类定理3.4的证明
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闭曲面分类定理3.4证明的剩下部分是要说明不同类型闭曲面不同胚,为此只须说明它们的基本群不同构.两个群的不同构并不很容易从它们的结构判定,但交换群的不同构比较容易判定.为此我们求闭曲面基本群的交换化.关于群的交换化的有关概念和性质可在附录A中找到.群G的交换化记作利用命题A.11和A.12可以算出③
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于是不同类型的闭曲面的基本群交换化以后不同构,因此基本群也不同构.分类定理证明完成.
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事实上,我们也证明了不同类型的闭曲面的伦型不相同.因此闭曲面的同伦分类与拓扑分类是一致的.
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5.4 Brouwer不动点定理2维情形的证明
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我们叙述这个著名定理,并用基本群为工具,完成2维情形的证明.高维的证明在第八章中完成.
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定理4.8(Brouwer不动点定理) 设f是n维实心球Dn到自身的连续映射,则存在x∈Dn,使得f(x)=x.
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证明 用反证法.设f没有不动点,即f(x)≠x,∀x∈Dn.于是可以规定g:Dn→Sn-1为
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(图4-28).则g连续,并且g0=g|Sn-1:Sn-1→Sn-1满足g0(x)≠-x,∀x∈Sn-1(请自己验证).因此(§1例2).因为g0=gi,其中i:Sn-1→Dn是零伦的,所以g0是零伦的.于是推出:Sn-1→Sn-1是零伦的.(以上论证对维数n没有加特殊要求.)
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当n=2时,从而导出的基本群的自同构不是平凡的;而常值映射导出平凡的基本群同态,因此不是零伦的.这个矛盾说明f一定有不动点. ▎
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