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米克斯在讲授三维流形,我先去听了他的课。课上他提到德恩引理,立时引起我的共鸣,我对这个结果早就感兴趣了。20世纪初,德国数学家马克思·德恩(Max Dehn)提出了这样的结果:如果浸入三维空间的一个圆盘上含有一奇点,即曲面在某点或自相交,或折叠,或具其他异常状态,则在它附近,可用一相同边值但不具奇点的圆盘替代之。这个引理在三维空间的理论中极为重要,不幸的是德恩的证明出现了问题。1956年,普林斯顿的希腊数学家赫里斯托斯·帕帕基里亚科普洛斯(Christos Papakyriakopoulos)给出了正确的证明,约翰·米尔诺用以下的打油诗描述其成就:
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The perfidious lemma of Dehn
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drove many a good man insane
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but Christos Pap-
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akyriakop-
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oulos proved it without any pain.
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(译文)
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何德恩之困惑兮,引理证而履险,
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君子坐堂求解兮,心疯狂而意癫。
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希腊有士来援兮,帕基里亚科普[4],
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洛斯殆得天授兮,题解出乎瞬间。
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米克斯和我找到了德恩引理的一个加强版本,并利用里面使用的技巧,证明了一个著名的猜想:当边界是凸曲线时,杰西·道格拉斯(Jesse Douglas)极小曲面不含奇点。道格拉斯于1936年获颁首届菲尔兹奖。
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作者和米克斯证明的德恩引理给出简化或化解自相交曲面的技巧,使原来曲面变成没有自相交、折叠或其他奇点的曲面。(原图引自顾险峰和尹晓田)
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这个加强版的德恩引理,后来成为破解一个屹立四十年的拓扑问题的关键,这个问题叫史密斯猜想,它是在1939年由美国拓扑学者保罗·史密斯(Paul Smith)提出的。要知道我们身处的三维空间,当然可以围绕着一根直轴旋转,使得只有直轴上的点是不动的。这类似平面上的旋转只有一点不动,又如大厅或书房内放置的地球仪,旋转时只有南北两极不动。史密斯却考虑三维空间有没有其他的“旋转”,令不动的轴心像一条打了结的绳子。史密斯断言这是没有可能的,这看来再清楚不过,你如何能把球绕着打结的轴转呢?可是要证明它,光用我们的结果还不够,还得加上其他人包括卡梅伦·戈丹(Cameron Gordan)和比尔·瑟斯顿等人的研究结果,才能证明猜想在三维空间中成立。据我所知,利用极小曲面为工具来解决拓扑上的问题,这是第一次。在这次成功的驱使下,很多人开始利用这些想法来证明其他拓扑问题。
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