游戏规则:我们假设所有物体都是用橡胶做成的,可以随意地拉伸、挤压、弯曲,但不允许切断、粘连等任何改变图形本质结构的操作。能否把左图连续地变形为右图?答案是可以的,如下图所示:这意味着,假如人类的身体可以像橡胶人一样任意变形,那么用两手的拇指和食指做成两个套着的圆环之后,我们可以不放开手指,把圆环给解开来。
Algorithmic and Computer Methods for Three-Manifolds 一书里画了一张非常漂亮的示意图:更加有趣的是,如果仅仅是手腕上多了一块手表,上述方案就不能得逞了。能否把左图连续地变为右图?答案是可以的,如下图所示。左图所示的立体图形表面画有一个圆。能否通过连续变换,把这个圆变到右图所示的位置?答案是可以的,如下图所示。在一个轮胎的表面上打一个洞。
能否通过连续变换,把这个轮胎的内表面翻到外面来?答案是可以的。首先,作出如下图所示的连续变换。可以看到,一个表面有洞的轮胎本质上等于两个粘在一起的纸圈!不过,注意纸圈 1 和纸圈 2 的地位不太一样:一个是白色的面(即最初轮胎的内表面)冲外,一个是阴影面(即最初轮胎的外表面)冲外。
现在,把纸圈 2 当成原来的纸圈 1,把纸圈 1 当成原来的纸圈 2,倒着把它们变回轮胎形,轮胎的内外表面也就颠倒过来了。有趣的是,把轮胎的内表面翻出来之后,轮胎上的“经线”和“纬线”(姑且这么叫吧)也将会颠倒过来:Wikipedia 上有一个巨帅无比的动画,直接展示出了把一个圆环面的内表面翻到外面来的过程。此动画看着非常上瘾,小心一看就是 10 分钟!能否把左图连续地变为右图?答案是可以的。
首先,作出如下图所示的连续变换,于是就变成了问题 1 中的图 (a)。再利用问题 1 的办法,即可变出我们想要的形状来。