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幾何上,一個環面是一個手鐲形狀的旋轉曲面,由一個繞一個和該圓共面的一個軸迴轉所生成。球面可以視為環面的特殊情況,也就是旋轉軸是該圓的直徑時。若轉軸和圓不相交,圓面中間有一個洞,就像一個手鐲、甜甜圈呼啦圈,或者一個充了氣的輪胎。另一個情況,也就是軸是圓的一根的時候,就產生一個擠扁了的球面,就像一個圓的座墊那樣。英文Torus曾是拉丁文的這種形狀的座墊。

Thumb
一個環面。
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幾何

圓環面可以參數式地定義為:

其中

u, v ∈ [0, 2π],
R是管子的中心到畫面的中心的距離,
r是圓管的半徑。

直角坐標系中的關於z-方位角對稱的環面方程是

該圓環面的表面積和內部體積如下

根據更一般的定義,環面的生成元不必是圓,而可以是橢圓或任何圓錐曲線

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拓撲

Thumb
一個環面是兩個圓的乘積。
Thumb
將一個有小洞的環面翻轉。

拓撲學上,一個環面是一個定義為兩個的閉合曲面S1 × S1。 上述曲面,若採用R3誘導的相對拓撲,則同胚於一個拓撲環面,只要它不和自己的軸相交。

該環面也可用歐幾里得平面的一個商空間來表述,這是通過如下的等價關係來完成的

(x,y) ~ (x+1,y) ~ (x,y+1)

或者等價地說,作為單位正方形將對邊粘合的商空間,表述為基本多邊形

環面的基本群是圓的基本群和自身的直積

直觀地講,這意味著一個先繞著環面的「洞」(譬如,沿著某個緯度方向的圓)然後繞著環面「實體」(譬如,沿著特定經度方向的圓)的閉路徑可以變形成為先繞實體後繞空心的路徑。所以,嚴格的經度方向和嚴格的緯度方向的路徑是可交換的。這可以想像成為兩個鞋帶互相穿過然後解開再繫上。

環面的第一同調群和基本群同構(因為基本群是交換群)。

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高維度的環面

環面很容易推廣到任意維。n維標準環面可以定義為 n 個標準圓的乘積:

上面所述的環面就是 維環面。 維環面就是圓。 維環面很難描述。和 維環面一樣, 維環面可以表述為 在各個坐標方向整數平移下的商空間。也即, 維環面是 模(modulo)整數格點 群作用(該作用就是向量和)。等價地說, 維環面是 立方體把相對的面兩兩粘合起來得到的空間。

維環是 緊緻流形的一個例子。它也是緊緻可交換李群的一個例子。這是因為單位圓是一個緊緻可交換李群(如果把它作為定義了乘法的單位長度複數來看)。環面上的群乘法可以定義為各坐標分別相乘。

環面群在緊緻李群理論中有重要的作用。部分原因在於所有緊緻李群中總是存在一個極大環面;也就是最大可能維度的閉子群環面。

維環面的基本群是一個n自由可交換群 維環面的 同調群 階的自由可交換群。因此可以推出 維環面的歐拉示性數 是0。上同調環H·(Tn,Z)可以等同為Z- 上的外代數,其生成元為 非平凡閉鏈的對偶。

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環面著色

如果把環面分成若干區域,那麼總是可以用最多7種顏色來著色,使得每對相鄰區域有不同的顏色。(這和四色問題不同。)在下面的例子中,環面被分為7個區域,兩兩相鄰,說明7色是必須的:Thumb

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參見

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外部連結

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