Teorema 5.7 - Clasificación de las superficies compactas
Enunciado
Si
- La esfera
. - Una suma conexa de toros
. - Una suma conexa de planos proyectivos
.
Demostración
Objetivo
Aplicar transformaciones elementales a su presentación
Para ello, separamos la demostración en 7 pasos, en cada uno de los cuales manipulamos
Paso 1
Podemos suponer que
tiene solo una palabra (o que el polígono tiene una sola cara).
Una consecuencia de que la superficie sea conexa es que si
Ahora, si
Como el número de palabras de la presentación original es finito, mediante este proceso se obtiene una presentación equivalente compuesta por una sola palabra.
Paso 2
Podemos suponer que no hay pares de aristas complementarias adyacentes (
).
Si las hubiera, plegando por ellas desaparecen, excepto el caso en que solo tengamos ese par de letras (
Paso 3
Podemos suponer que todos los pares de aristas retorcidas son adyacentes.
Supongamos que tenemos
luego, rotamos y reflejamos la segunda palabra:
por último, pegamos por

Paso 4
Podemos suponer que el polígono tiene todos sus vértices identificados. [3]
Sea
Ahora, la arista
Por tanto, concluimos que la arista b es distinta, y parte del vértice
Por la definición de presentación poligonal, la letra
Suponemos que aparece
- Si
fuese vacío, por la definición de , el vértice al que llega en nuestra cadena sería [4]. Pero entonces [5], lo que contradice la hipótesis. - Si
fuese vacío, rotando obtendríamos dos aristas adyacentes y y estaríamos en el paso 2.
Ahora, cortando por una nueva arista

Esta es una presentación equivalente donde hemos reducido la cantidad de vértices que se identifican con
Paso 5
Si aparece un par
, entonces hay otro par intercalado, es decir, de la forma .
Si no fuese así, tendríamos una presentación de la forma

En particular, los vértices finales de
Paso 6
Podemos suponer que los pares de aristas del paso 5 aparecen consecutivos.
Tenemos ahora una cadena
A continuación, se pega por
Posteriormente, cortamos desde el principio de
Por último, rotando y pegando por

Ahora tan solo habría que repetir esto para todos los pares de aristas intercalados no consecutivos.
Paso 7
La superficie
es homeomorfa a , o bien a .
En este punto, la presentación solo puede contener los siguientes tipos de elementos:
- Parejas de aristas complementarias consecutivas, de la forma
. - Aristas retorcidas de la forma
.
De esta manera, teniendo en cuenta que la presentación poligonal de un toro viene dada precisamente por la primera forma, mientras que la de un plano proyectivo por la segunda, si solo hubiese aristas de una de estas dos formas la superficie sería homeomorfa a una suma conexa de toros o de planos proyectivos, respectivamente.
Nos queda ver qué ocurre en el caso de que
Concluyendo:
- Si
tiene un solo par de aristas complementarias adyacentes, es homeomorfa a una esfera. - Si
tiene solo aristas complementarias alternadas, es homeomorfa a una suma conexa de toros. - Si
tiene solo aristas retorcidas, es homeomorfa a una suma conexa de planos proyectivos. - Si
tiene ambos tipos de aristas, es homeomorfa a una suma conexa de planos proyectivos.
Se hará un abuso de notación al llamar
tanto a la presentación original como a la presentación obtenida tras aplicar una transformación elemental. ↩︎ Aplicando rotaciones y reflejos de ser necesario. ↩︎
Esto es, solo hay un vértice al pasar al cociente. ↩︎
Ya que la arista es
y serían adyacentes. ↩︎ Donde termina
es , que coincidiría con donde acaba , esto es, . ↩︎ Claramente no puede reducirse la cantidad de vértices total de la figura, pero sí el número de aquellos que se identifican con
↩︎