MathLabs

解法:Dehn不变量:四面体与立方体不是剪拼全等的(1900年)

第 2/7 步:由边长与二面角定义Dehn不变量
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。

Dehn⁡(P)=∑eℓ(e)⊗[θ(e)] ∈ R⊗Q(R/πQ)\operatorname{Dehn}(P) = \sum_{e} \ell(e) \otimes [\theta(e)] \ \in \ \mathbb{R} \otimes_{\mathbb{Q}} (\mathbb{R}/\pi\mathbb{Q})
详细分析

对多面体 PP,设 ℓ(e)\ell(e) 与 θ(e)\theta(e) 分别为每条边 ee 的长度与二面角。Dehn 定义 Dehn⁡(P)=∑eℓ(e)⊗[θ(e)]\operatorname{Dehn}(P) = \sum_e \ell(e) \otimes [\theta(e)],它是张量积 R⊗Q(R/πQ)\mathbb{R} \otimes_{\mathbb{Q}} (\mathbb{R}/\pi\mathbb{Q})(长度按 Q\mathbb{Q} 双线性配对,角度取模 π\pi 的有理数倍)中的一个元素。取模 πQ\pi\mathbb{Q} 是关键所在:这使得 π\pi 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\otimes_{\mathbb{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]\ell \otimes [\theta_1 + \theta_2] = \ell \otimes [\theta_1] + \ell \otimes [\theta_2],以及对有理数 qq 有 (qℓ)⊗[θ]=ℓ⊗[qθ](q\ell) \otimes [\theta] = \ell \otimes [q\theta],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)\mathbb{R} \otimes_{\mathbb{Q}} (\mathbb{R}/\pi\mathbb{Q}) 中的两个元素可以用 Q\mathbb{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\pi/2,正四面体的二面角都是 arccos⁡(1/3)\arccos(1/3)。
张量积 ⊗Q\otimes_{\mathbb{Q}}
一种代数构造,把两个对象(这里是实数长度与模 πQ\pi\mathbb{Q} 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