Heegaard splittings provide a natural representation of closed 3-manifolds by gluing two handlebodies along a common surface. These splittings can be equivalently given by two finite sets of meridians lying on the surface, which define a Heegaard diagram. We present a data structure to effectively represent Heegaard diagrams as normal curves with respect to triangulations of a surface, where the complexity is measured by the space required to express the normal coordinates' vectors in binary. This structure can be significantly more compact than triangulations of 3-manifolds, yielding exponential gains for certain families. Even with this succinct definition of complexity, we establish polynomial-time algorithms for comparing and manipulating diagrams, performing stabilizations, detecting trivial stabilizations and reductions, and computing topological invariants of the underlying manifolds, such as their fundamental and homology groups. We also contrast early implementations of our techniques with standard software programs for 3-manifolds, achieving faster algorithms for the average cases and exponential gains in speed for some particular presentations of the inputs.


翻译:Heegaard 分裂通过沿公共曲面粘合两个柄体,为闭三维流形提供了一种自然的表示方法。这些分裂等价地可由位于曲面上的两个有限经线集给出,从而定义出 Heegaard 图。我们提出一种数据结构,能够将 Heegaard 图有效地表示为曲面三角剖分下的正规曲线,其复杂度以二进制表示正规坐标向量所需的空间度量。该结构可比三维流形的三角剖分显著更紧凑,对某些族类可实现指数级增益。即使在此简练的复杂度定义下,我们仍建立了多项式时间算法,用于比较和操作 Heegaard 图、执行稳定化、检测平凡稳定化与约化,并计算底层流形的拓扑不变量(如基本群和同调群)。我们还将本技术的早期实现与三维流形的标准软件程序进行了对比,在平均情况下实现了更快的算法,并对某些特定输入表示获得了指数级的速度提升。

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