解法:Dehn不变量:四面体与立方体不是剪拼全等的(1900年)
通俗地说多面体的每条边都附带两个数:它有多长,以及在那里相接的两个面折叠得有多锐(二面角)。Dehn的想法是把每条边的长度乘以其角度的一个编码后的版本,再把所有结果加起来——但这种编码的设计使得任何是平角"整齐"分数的角度(比如直角),无论边有多长,贡献都恰好为零。
详细分析对多面体 P,设 ℓ(e) 与 θ(e) 分别为每条边 e 的长度与二面角。Dehn 定义 Dehn(P)=∑eℓ(e)⊗[θ(e)],它是张量积 R⊗Q(R/πQ)(长度按 Q 双线性配对,角度取模 π 的有理数倍)中的一个元素。取模 πQ 是关键所在:这使得 π 的有理数倍不产生任何贡献,与角度之和为平角或周角不应妨碍剖分这一事实相符。
张量积 ⊗Q 正是让这成为一个真正、可核验的不变量,而不是一对笨拙数字的原因:它规定 ℓ⊗[θ1+θ2]=ℓ⊗[θ1]+ℓ⊗[θ2],以及对有理数 q 有 (qℓ)⊗[θ]=ℓ⊗[qθ],使得长度与角度的相互作用恰如一个双线性配对,并且 R⊗Q(R/πQ) 中的两个元素可以用 Q 上普通的线性代数来比较是否相等。
下一步说明,为什么这种把长度与角度以此方式组合、并在所有边上求和的东西,配得上被称为不变量:它在多面体被切割成碎片再重新拼合时不应改变。
本步骤中的术语- 二面角
- 沿给定边相接的多面体两个面之间的角度,在实体内部测量;立方体的二面角都是 π/2,正四面体的二面角都是 arccos(1/3)。
- 张量积 ⊗Q
- 一种代数构造,把两个对象(这里是实数长度与模 πQ 的角度)结合成一个新的单一对象,并强制这种结合关于有理数标量表现为双线性,这正是用普通代数比较Dehn不变量所需要的结构。
本步骤用到的知识