基本多邊形

在數學上，每個閉曲面在幾何拓撲的意義下，可以由一個偶數條邊的有向多邊形，把它的邊成對地粘合構造出來，這樣的多邊形稱之為基本多邊形（fundamental polygon）。

由一對向量定義的基本平行四邊形，生成環面。

這個構造可以表示成一個長為2n的字符串，一共n個不同的符號，每個符號出現兩次帶有指數 +1或 -1。指數 -1的符號對應於該邊的定向與基本多邊形的定向相反。

例子

曲面的基本多邊形

球面

實球射影平面

克萊因瓶

環面

上圖中標有相同字母的兩條邊，沿着箭頭方向粘合。

• 球面：${\displaystyle AA^{-1}}$或${\displaystyle ABB^{-1}A^{-1};}$
• 實射影平面：${\displaystyle AA}$或${\displaystyle ABAB;}$
• 克萊因瓶：${\displaystyle ABAB^{-1}}$或${\displaystyle AABB;}$
• 環面：${\displaystyle ABA^{-1}B^{-1}}$或${\displaystyle ABCA^{-1}B^{-1}C^{-1}.}$

群生成元

對標準對稱形狀，多邊形的邊可以理解為一個群的生成元。然後這個多邊形，寫成群元素形式，成為由這些邊生成的自由群上一個約束，給出有一個約束的群呈示。

因此，例如給定歐幾里得平面${\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}$，設群元素${\displaystyle A}$在這個平面上有作用${\displaystyle A(x,y)=(x+1,y)}$而${\displaystyle B(x,y)=(x,y+1)}$。則${\displaystyle A,B}$生成格${\displaystyle \Gamma =\mathbb {Z} ^{2}}$，而環面由商空間給出（一個齊性空間）${\displaystyle T=\mathbb {R} ^{2}/\mathbb {Z} ^{2}}$。更一般地，兩個生成元${\displaystyle A,B}$可用來生成一個基本平行四邊形的平行四邊形鑲嵌。

對環面，在兩個字母的自由群上的約束由${\displaystyle ABA^{-1}B^{-1}=1}$給出。這個約束平凡地包含在如上給出的平面上的作用中。另外，平面可用六邊形鋪滿，六邊形的中心形成一個六邊形格。將六邊形的相對等同，又得到了環面。這一回約束是${\displaystyle ABCA^{-1}B^{-1}C^{-1}=1}$，刻劃了六邊形格生成元在平面上的作用。

在實際中，大部分有趣的情形是具有負曲率的曲面，由群${\displaystyle PSL(2,\mathbb {R} )}$中一個離散格作用在上半平面實現。這樣的格稱為富克斯群（Fuchsian group）。

標準基本多邊形

虧格n可定向閉曲面有如下標準基本多邊形：

${\displaystyle A_{1}B_{1}A_{1}^{-1}B_{1}^{-1}A_{2}B_{2}A_{2}^{-1}B_{2}^{-1}\cdots A_{n}B_{n}A_{n}^{-1}B_{n}^{-1}=1.\,}$

（不可定向）虧格n的不可定向閉曲面有如下標準基本多邊形：

${\displaystyle A_{1}A_{1}A_{2}A_{2}\cdots A_{n}A_{n}.\,}$

或者，不可定向曲面能由兩種形式給出，虧格n 克萊因瓶與虧格n 實射影平面。虧格2n克萊因瓶由一個4n邊形給出

${\displaystyle A_{1}B_{1}A_{1}^{-1}B_{1}^{-1}A_{2}B_{2}A_{2}^{-1}B_{2}^{-1}\cdots A_{n}B_{n}A_{n}^{-1}B_{n}=1,\,}$

（注意最後的${\displaystyle B_{n}}$沒有上標 -1；與可定向情形比較，這個翻轉是不可定向性的緣故）。虧格2n+1射影平面由一個4n+2邊形給出

${\displaystyle A_{1}B_{1}A_{1}^{-1}B_{1}^{-1}A_{2}B_{2}A_{2}^{-1}B_{2}^{-1}\cdots A_{n}B_{n}A_{n}^{-1}B_{n}^{-1}C^{2}=1.\,}$

最後兩類情形窮盡了所有可能的不可定向曲面，這是昂利·龐加萊證明的。

緊黎曼曲面的基本多邊形

一個（雙曲）緊黎曼曲面的基本多邊形有許多重要的性質，將曲面與它的富克斯模型（Fuchsian model）聯繫起來。即一個雙曲緊黎曼曲面可以上半平面做為萬有覆疊，從而可以表示為一個商流形H/Γ，這裡 Γ是一個非阿貝爾群同構於曲面的甲板變換群（deck transformation group）。商空間的陪集有標準多邊形做為代表元素。在下面，注意所有黎曼曲面都是可定向的。

度量基本多邊形

給定上半平面H中一點${\displaystyle z_{0}}$，以及PSL(2,R)一個離散子群Γ 自由不連續作用在上半平面，則我們可定義度量基本多邊形（metric fundamental polygon）為點集

${\displaystyle F=\{z\in \mathbb {H} :d(z,z_{0})<d(z,gz_{0})\;\;\forall g\in \Gamma \}.\,}$

這裡d是上半平面的雙曲度量。度量基本多邊形有時也稱為狄里克雷區域（Dirichlet region）或沃羅諾伊多邊形（Voronoi polygon）。

• 這個基本多邊形是一個基本區（fundamental domain）。
• 這個基本多邊形是凸集，連接這個多邊形的任何兩點的測地線完全包含在多邊形內部。
• F的直徑小於或等於H/Γ的直徑。特別地，F的閉包緊。
• 如果Γ在H中沒有不動點且H/Γ緊，則F的邊數有限。
• 多邊形的每條邊是一個測地線。
• 對多邊形的每條邊s，恰有另外一條邊s' 使得gs=s' 對某個g屬於Γ。從而這個多邊形有偶數條邊。
• 將邊兩兩連接的群元素集合g是Γ的生成元，沒有更小的集合可生成Γ。
• F的閉包在Γ的作用下鋪滿上半平面。即${\displaystyle H=\cup _{g\in \Gamma }\,g{\overline {F}}}$這裡${\displaystyle {\overline {F}}}$是F的閉包。

標準基本多邊形

給定任何度量基本多邊形F，用有限步可以構造另一個基本多邊形，標準基本多邊形（standard fundamental polygon），它具有額外一組值得注意的性質：

• 標準多邊形的頂點都是等價的。「頂點」是說兩條邊相交的點。「等價」意味着每個頂點可以由Γ中某個g變到任何其它一個頂點。
• 邊數可被4整除。
• Γ中一個給定元素g至多將多邊形的一條邊變到另一邊。從而這些邊可以成對標記出來。由於Γ的作用保持定向，如果一條邊為${\displaystyle A}$，則這一對中另一個可以標記為相反的方向${\displaystyle A^{-1}}$。
• 可以安排標準多邊形的邊，使得相鄰邊取形式${\displaystyle A_{1}B_{1}A_{1}^{-1}B_{1}^{-1}A_{2}B_{2}A_{2}^{-1}B_{2}^{-1}\cdots A_{n}B_{n}A_{n}^{-1}B_{n}^{-1}}$。這就是說邊對可安排成以這樣的方式相間出現。
• 標準多邊形是凸集。
• 邊可以安排成測地線。

上面的構造足夠保證多邊形的每條邊在流形H/Γ中是一個閉（非平凡）環路。就其本身而言，每條邊可以為基本群${\displaystyle \pi _{1}(\mathbb {H} /\Gamma )}$中一個元素。特別地，基本群${\displaystyle \pi _{1}(\mathbb {H} /\Gamma )}$有2n個生成元素${\displaystyle A_{1},B_{1},A_{2},B_{2},\cdots A_{n}B_{n}}$，由一個約束定義，

${\displaystyle A_{1}B_{1}A_{1}^{-1}B_{1}^{-1}A_{2}B_{2}A_{2}^{-1}B_{2}^{-1}\cdots A_{n}B_{n}A_{n}^{-1}B_{n}^{-1}=1.\,}$

所得流形H/Γ的虧格是n。

例子

度量基本多邊形與標準多邊形通常有不同的邊數。比如，環面的標準基本多邊形是一個基本平行四邊形（fundamental parallelogram）。相比而言，度量基本多邊形有六條邊，是一個六邊形。只需注意到六邊形的邊垂直平分平行四邊形的邊就可以看出來。這就是，取格中一點，然後考慮連接這點與鄰點的直線之集合。每個這樣的線被另一條垂直線平分，被這樣的第二個線集合圍住的最小的空間是一個六邊形。

事實後，上一個構造一般都可行：取一點x，然後對Γ中g，考慮x與gx之間的測地線。平分這些測地線是另一個曲線集合，這些點的軌跡與x和gx距離相等。由第二個線集合圍住的最小區域是度量基本多邊形。

面積

標準基本多邊形的面積是${\displaystyle 4\pi (n-1)}$，這裡n是黎曼曲面的虧格（等價於4n是多邊形的邊數）。由於標準多邊形是H/Γ的一個代表，黎曼曲面的整個面積等於標準多邊形的面積。這個面積公式由高斯-博內定理得出，在某種意義下黎曼-赫爾維茨公式（Riemann-Hurwitz formula）是其推廣。

標準多邊形的具體形式

對標準多邊形可以給出具體表達式。一個更有用的形式是使用與這個標準多邊形關聯的群${\displaystyle \Gamma }$。對一個虧格n定向曲面，群可由2n格生成元${\displaystyle a_{k}}$給出。這些生成元由下列分式線性變換作用在上半平面給出。

對${\displaystyle 0\leq k<2n}$：

${\displaystyle a_{k}=\left({\begin{matrix}\cos k\alpha &-\sin k\alpha \\\sin k\alpha &\cos k\alpha \end{matrix}}\right)\left({\begin{matrix}e^{p}&0\\0&e^{-p}\end{matrix}}\right)\left({\begin{matrix}\cos k\alpha &\sin k\alpha \\-\sin k\alpha &\cos k\alpha \end{matrix}}\right)}$

參數由

${\displaystyle \alpha ={\frac {\pi }{4n}}\left(2n-1\right)}$

和

${\displaystyle \beta ={\frac {\pi }{4n}}}$

以及

${\displaystyle p=\ln {\frac {\cos \beta +{\sqrt {\cos 2\beta }}}{\sin \beta }}}$

給出。可以驗證這些生成元服從約束

${\displaystyle a_{0}a_{1}\cdots a_{2n-1}a_{0}^{-1}a_{1}^{-1}\cdots a_{2n-1}^{-1}=1,\,}$

這給出整個群呈示。

推廣

在高維，基本多變形的想法體現為齊性空間。

另見

• 凱萊圖
• 歐幾里得環
• 沃羅諾伊圖（Voronoi diagram）

參考文獻

• Alan F. Beardon, The Geometry of Discrete Groups (1983), Springer-Verlag, New York. ISBN 0-387-90788-2.
• Hershel M. Farkas and Irwin Kra, Riemann Surfaces (1980), Springer-Verlag, New York. ISBN 0-387-90465-4.
• Jurgen Jost, Compact Riemann Surfaces (2002), Springer-Verlag, New York. ISBN 3-540-43299-X.