En primer lugar, debe saber que su superficie S admite una estructura hiperbólica, es decir, es homeomorfo al cociente H2/Γ del plano hiperbólico H2 por un grupo de isometrías Γ actuando correctamente de forma discontinua y libre en H2 . Véase, por ejemplo, mi respuesta aquí , aunque si no se fija una estructura conforme de antemano, construir una estructura hiperbólica es más fácil, véase por ejemplo, aquí . En las mismas conferencias de Aramayona encontrará todo el material de base necesario para lo que se escribe a continuación.
Todo bucle orientado homotópicamente no trivial α en S representa un elemento (único hasta la conjugación) γ∈Γ . Este último actúa sobre H2 como isometría hiperbólica : Tiene exactamente dos puntos fijos en el círculo límite S1 de H2 . El bucle α admite un ascensor ˜α que es invariante bajo γ . El ascensor ˜α tiene exactamente dos puntos límite en el círculo límite S1 : Son los puntos fijos de γ . Utilizaré la notación Fix(γ) para el conjunto de punto fijo de γ en S1 .
Por el contrario, si γ preserva un arco parametrizado (no necesariamente simple) ˜β⊂H2 entonces los puntos límite (de acumulación) de ˜β en S1 son exactamente los dos puntos fijos de γ . Por lo tanto, para cada γ′∈Γ si γ′(˜α) es γ -invariante, entonces γ′ preserva el conjunto de punto fijo Fix(γ)⊂S1 : O arregla Fix(γ) o intercambia los dos puntos fijos. Esto último no puede ocurrir ya que Γ no tiene torsión.
Lema. El estabilizador Δ de Fix(γ)={x1,x2} en Γ es un grupo cíclico infinito.
Prueba. Sea L⊂H2 sea la geodésica hiperbólica con los puntos límite x1,x2 . Dado que existe una única geodésica de este tipo, la línea L tiene que ser invariante en Δ . Por lo tanto, Δ actúa libremente como un grupo propiamente discontinuo de isometrías de L≅R . El grupo de isometría de R es el producto semidirecto de R (que actúa mediante traducciones) y Z2 (cuyo generador es la reflexión t↦−t ). Dejaré como ejercicio demostrar que todo subgrupo infinito discreto de R es isomorfo a Z . Por lo tanto, Δ es isomorfo a Z . qed
Por lo tanto, cada elemento γ′∈Γ que envía ˜α a un γ -arco invariante, pertenece al grupo cíclico Δ . Este último contiene ⟨γ⟩ como subgrupo de índice finito (ya que γ≠1 ). Por lo tanto, la preimagen de α en H2 sólo contiene un número finito de γ -arcos invariantes.