關於空間的拓撲分類,這是一個既重要又有趣,然而也是非常難的問題,至今沒有能完全解決。但限於閉曲面的情形,結果是非常完滿的。它是數學中為數不多的幾個完整的漂亮定理之一。
在眾多的閉曲面中,球面顯然是首先會被想到的,實際上,它可以作為構造其他的閉曲面的出發點。
為瞭從球面得到其他的閉曲面,先在球面上剪去幾塊,或者換一種說法,就是打些洞,然後再用適當的“補釘”將這些洞補上。當然,為瞭得到新的的閉曲面,不能用剛剪下來的那種小圓片當“補釘”,而應換用其他類型的曲面。顯然,如果用平環(如圖1所示的陰影部分)
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用平環這種“補釘”修補球面上的洞時,先是將外圓周和一個洞的邊緣粘合,然後再將內圓周和另一個洞的邊緣粘合。這樣做的理由是因為最後要得到閉曲面。為瞭得到閉曲面,也可以直接將內圓周上的點,按粘合對徑點(同一條直徑上的兩個端點)的方式把它封閉起來。這種先將內圓周沿對徑點粘好的“補釘”,稱為“交叉帽”,一個交叉帽可以補一個洞。帶有任意多個交叉帽的球面,就構成另一半閉曲面。總而言之,任意一個閉曲面,它不是和一個安有若幹個柄的球面同胚,就是和一個帶有某些個交叉帽的球面同胚。
交叉帽是將平環的內圓周沿對徑點粘合。現將平環沿AB和DE剪開(圖3),得到ACDEF和A′B′C′D′E′G兩塊(這裡A剪開成A和A′,B、D、E,同此,但B和D是對徑點應粘合,故B、B′,D、D′為同一點)。現將這兩塊沿BCD和D′C′B′粘合。如圖4,所示,在長方形
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帶一個交叉帽的球面,就是投影平面(投影平面就是將單位圓的對徑點粘合而得,見圖5。由於對徑點粘合,故陰影部分同胚於有一個洞的球面,而餘下部分為麥比烏斯帶);帶兩個交叉帽的球面,通常叫做單側雙環面或克萊因瓶(見圖6及見彩圖)。
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單側曲面畫出來都是要自己和自己相交的。