本文中所称「流形」均为带边拓扑流形。
一种最常用的得到新三维流形的办法是:取出两个定向带边三维流形M1和M2,具有同胚的边界∂M1 ≈ ∂M2 = Σg,将这两个流形沿着边界,用某个同胚f : Σg → Σg粘接起来,得到闭三维流形
M := M1∪fM2.
并且领结引理告诉我们:粘接映射的同痕类[f] ∈ Mod(Σg)决定了产出流形M的同胚型。回过头来问:什么样的三维流形M1以Σg为边界?自然会想到实心环面及其边界和,这就把所有信息确定了:如果一个三维流形M可以通过两个相同的实心环面,由f ∈ Mod(Σg)粘接边界得到,那么这样的拆分方法就称为这个三维流形M的Heegaard分解。
然而,定义并不保证所有的三维流形都能够这样拆分,欲行Heegaard分解事,还需下面的定理。
Theorem. 任意三维流形都有Heegaard分解。
Proof.
有结果说「任意三维流形都有三角剖分」,我们基于该结果给出一个构造性证明。取定三维流形M的一个三角剖分T,将T的所有信息进行如下改造:
顶点:替换为D3;
边:替换为D2 × I,想象一个长而细的圆柱,两头凹陷;
三角形:替换为Δ × I,想象一个咬了三口的发糕;
三棱锥:替换为D3。

如此,可令H(T)为所有顶点和边的替换构成的2-handlebody,H′(T)为三角形和三棱锥替换构成的handlebody。这样一来,三角剖分给出了边界粘接的方法,如此得到Heegaard分解。▫
一个流形上可能存在很多不同的Heegaard分解。比如,给定一个Heegaard分解M = Hg∪fHg,考虑Mod(Σg) → Mod(Σg + 1)自然嵌入,于是可以通过平凡粘接环面
(add unknotted 1-handle),来使得Heegaard分解的亏格增长
M = Hg + 1∪f′Hg + 1
这样的过程称为稳定化。如果两个Heegaard分解能通过稳定化得到同一个Heegaard分解,那么这两个Heegaard分解称作是稳定等价的。事实上:
Theorem.
同胚的三维流形的不同Heegaard分解之间是稳定等价的。
Proof. 证明分为两步
由三角剖分T和T′得来的Heegaard分解是稳定等价的;
对于任意Heegaard分解,存在某个三角剖分T,使得该Heegaard分解与T给出的Heegaard分解时稳定等价的。
第一步的证明依靠「任意两个三角剖分可以通过重心剖分 (barycentric subdivision),找到共同的子三角剖分」,并且重心剖分可以用「粘接unknotted 1-handle」实现。
第二步的证明:先取定
Heegaard分解M = Hg ∪ Hg′;
Γ:1-柄体Hg的一个「轴心图」,那么Γ就是一个只有一个顶点和g条闭曲线的图;
T:M的三角剖分,使得Hg和Hg′都是子复形;
令τ = T|Hg和τ′ = T|Hg′,那么通过适当取子剖分,可以使得τ满足下面条件(a),τ′满足下面条件(b)。
- τ(1)的三维加厚,可以由Γ的三维加厚,仅通过粘接unknotted
handles得到;
(b) τ′(1)的三维加厚,可以由τ′(1)|∂Hg′的三维加厚,仅通过粘接unknotted handles得到;
记「加厚」为U(⋅),因为τ′满足条件(b),并且τ′与τ在边界上相等,所以
$$
\begin{aligned}
U(\tau'^{(1)})&=U(\tau'^{(1)}|_{\partial H_g})\cup\text{unknotted
1-handles}\\
&=U(\tau^{(1)}|_{\partial H_g})\cup\text{unknotted 1-handles}\\
\end{aligned}
$$ 另外,τ又满足条件(a),且τ和τ′合起来得到整个T,所以
$$
\begin{aligned}
H(T)=U(T^{(1)})&=U(\tau^{(1)})\cup\text{unknotted 1-handles}\\
&=U(\Gamma)\cup\text{更多unknotted 1-handles}\\
&=H\cup\text{更多unknotted 1-handles}
\end{aligned}
$$ 即是说给定的Heegaard分解,和T给出的Heegaard分解稳定等价,这就完成了证明。▫