Теория узлов

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

Теория узлов — изучение вложений одномерных многообразий в трёхмерное евклидово пространство или в сферу <math>S^3</math>. В более широком смысле предметом теории узлов являются вложения сфер в многообразия и вообще вложения многообразий.





Основные понятия теории узлов

Вложение (чаще — его образ) несвязной суммы <math>\mu</math> экземпляров окружности в <math>\mathbb{R}^3</math> или <math>S^3</math> называется зацеплением кратности <math>\mu</math>.

Зацепление кратности <math>\mu=1</math> называется узлом.

Узлы, составляющие данное зацепление, называются его компонентами.

Объемлемо-изотопические классы зацеплений называются типами зацеплений. Зацепления одного типа называются эквивалентными.

Зацепление, состоящее из некоторых компонент зацепления <math>L</math>, называется его частичным зацеплением.

Говорят, что зацепление распадается (или расщепляется), если два его частичных зацепления разделены в <math>S^3</math> двумерной сферой.

Некоторые типы зацеплений

  • Зацепление «<math>0,\;0,\;\ldots,\;0</math>», лежащее в плоскости в <math>\mathbb{R}^3</math>, называется тривиальным.
  • Зацепление называется брунновым, если распадается каждое его частичное зацепление, кроме него самого.
  • Наиболее изучены кусочно линейные зацепления. Рассмотрение гладких или локально плоских топологических вложений в <math>\mathbb{R}^3</math> приводит к теории совпадающей с кусочно линейной.
  • Кроме плоскости всякое зацепление можно расположить на стандартно вложенной в <math>\mathbb{R}^3</math> замкнутой поверхности. Например, зацепление можно расположить на незаузленном торе или кренделе, тогда такое зацепление будет называться соответственно торическим, или крендельным.
  • Зацепление, лежащее на границе трубчатой окрестности узла называется обмоткой узла <math>k</math>. Зацепление, которое можно получить многократным взятием обмоток, начиная с тривиального узла, называется трубчатым, или сложным кабельтовым.

Задание зацеплений

Обычно зацепления задаются посредством так называемых диаграмм узлов и зацеплений. Этот способ тесно связан с понятием кос. Если в косе из <math>2n</math> нитей соединить вверху и внизу по <math>n</math> пар соседних концов отрезками, то получится зацепление, называемое <math>2n</math>-сплетением.

Другой способ конструирования зацеплений из кос состоит в замыкании кос. Если между двумя параллельными плоскостями <math>\Pi_1</math> и <math>\Pi_2</math> в <math>\mathbb{R}^3</math> взять <math>2m</math> ортогональных им отрезков и соединить их концы попарно <math>m</math> дугами в <math>\Pi_1</math> и <math>m</math> дугами в <math>\Pi_2</math> без пересечений, то сумма всех дуг и отрезков даст зацепление. Зацепление, допускающее такое представление, называется зацеплением с <math>m</math> мо­стами.

Таблица узлов

Для классификации узлов составляют таблицы узлов[1] — перечень диаграмм всех простых узлов, допускающих проекции на плоскость.

Для облегчения поиска и унификации узлы имеют стандартное обозначение: первая цифра указывает число двойных точек, а вторая (расположенная в индексе) — порядковый номер узла.

Помимо стандартного обозначения несколько простейших узлов имеют специальные названия. Например:

Для многокомпонентных узлов в верхнем индексе указывается количество компонентов: например, зацепление двух колец имеет символическую запись <math>2^2_1</math>.

Инварианты узлов и зацеплений

Практически единственным способом доказательства неизоморфности узлов является применение инвариантов: сопоставляемых узлу (или зацеплению) чисел или выражений, не изменяющихся при его изотопии. Достаточным для доказательства неизоморфности тогда является нахождение инварианта, значения которого на данных двух узлах или зацеплениях различны. (Стоит отметить, что совпадение одного или нескольких инвариантов на двух узлах их изоморфности ещё не доказывает.)

Чаще всего, инварианты определяют только для ручных узлов (и зацеплений), строя их по диаграмме узла; проверка инвариантности в этом случае сводится к проверке, что построенный объект сохраняется при всех трёх преобразованиях Рейдемейстера.

Некоторые инварианты узлов и зацеплений:

Приложения теории узлов

Значение теории узлов для изучения трёх­мерных многообразий определяется, прежде всего, тем, что всякое замкнутое ориентируемое трёхмерное многообразие можно представить в виде накрывающего сферы <math>S^3</math>, разветвлённого над некоторым зацеплением (теорема Александера). Более того, всякое ориентируемое связное трёхмерное многообразие рода 1 (то есть линзовое пространство) гомеоморфно двулистному разветвлённому накрывающему некоторого зацепления с двумя мостами, и зацепления с двумя мостами эквивалентны тогда и только тогда, когда гомеоморфны их двулистные разветвлённые накрывающие. Этот факт полезен как для описания трёхмерных многообразий, так и для классификации узлов.

Другим важным средством, доставляемым теорией узлов для изучения трёхмерных многообразий, является исчисление оснащённых зацеплений Кёрби.

Помимо этих и многих других применений теории узлов в топологии, её приложения включают также изучение особенностей плоских алгебраических кривых, а в многомерной ситуации — изолированных особенностей комплексных гиперповерхностей, гладкие структуры на сферах, конструирование динамических систем и слоений. Имеются попытки применить теорию узлов в символической динамике[2] и математической теории турбулентности[3].

История теории узлов

По-видимому, К. Гаусс был первым, кто рассматривал узел как математический объект. Он считал, что анализ явлений заузливания и зацепливания является одной из основных задач «geometris situs». Сам К. Гаусс мало написал об узлах и зацеплениях, однако его ученик И. Листинг (J. Listing) посвятил узлам значительную часть своей монографии.

К концу XIX века П. Тэт (P. Tait) и К. Литл (С. Little) составили таблицы простых узлов, имеющих не более 10 пересечений, и таблицы альтернирующих простых узлов, имеющих не более 11 пересечений.

В 1906 году Г. Титце (Н. Tietze) впервые применил фундаментальную группу для доказательства нетривиа­льности узла. В 1927 году Дж. Александер (J. Alexander) и Л. Бриге (L. Briggs), используя коэффициенты кручения гомологии двулистных и трёхлистных разветвлённых циклических накрывающих, различили все табулированные узлы с 8 пересечениями и все узлы, за исключением трёх пар, с 9 пересечениями.

В 1928 году Александер предлагает многочлен, названный его именем, но и с его помощью не удалось убедиться в различности всех 84 узлов, имеющих не более 9 пересечений. Этот последний шаг сделал К. Рейдемейстер (К. Reidemeister), рассмотревший коэффициенты зацепления в диэдральных разветвлённых накрывающих.

См. также

Напишите отзыв о статье "Теория узлов"

Примечания

  1. ↑ users.omskreg.ru/~lanin/ktable.htm
  2. ↑ Franks J. M. Annals of Mathematics. — 1981. — v. 113. — p. 529—552.
  3. ↑ Birman J. S., Williams R. F. Topology. — 1983. — v. 22. — p. 47—82.

Литература

  • Кроуэлл Р., Фокс Р. Введение в теорию узлов / Пер. с англ. — Череповец: Меркурий-Пресс, 2000. — 348 с. — ISBN 5-1148-0112-0..
  • Мантуров В. О. Теория узлов. — М.: РХД, 2005. — 512 с. — ISBN 5-93972-404-3..
  • Мантуров В. О. Лекции по теории узлов и их инвариантов. — М.: Едиториал УРСС, 2001. — 204 с. — ISBN 5-8360-0287-8..
  • Милнор Дж. Особые точки комплексных гиперповерхностей / Пер. с англ. — М.: Мир, 1971. — 127 с.
  • Мандельбаум Р. Четырёхмерная топология / Пер. с англ. — М.: Мир, 1981. — 286 с.
  • Hillman J. A. Alexander ideals of links B. — Hdlb. — N. Y., 1981.
  • Джонс, Воган Ф. Р. [ega-math.narod.ru/Nquant/Knots.htm Теория узлов и статистическая механика] // Scientific American (издание на русском языке). — № 1. — 1991. — С. 44—50.
  • Сосинский, А. Б. [www.mccme.ru/mmmf-lectures/books/books/book.10.pdf Узлы и косы]. — М.: МЦНМО, 2001. — Т. 10. — 24 с. — (Библиотека «Математическое просвещение»). — ISBN 5-900916-76-6..
  • Сосинский А. Б. Узлы. Хронология одной математической теории: — М.:МЦНМО, 2005. — 112 с. ISBN 5-94057-220-0
  • Статьи [www.mccme.ru/free-books/matpros4.html «Теория узлов в конце XX века»] // Математическое просвещение. — № 3. — 1999.
  • Мантуров В. О. [window.edu.ru/window/catalog?p_rid=20826 Экскурс в теорию узлов] // Сетевой образовательный журнал. — 2004. — Т. 8, № 1. — С. 122—127.
  • Honda K. [www.arxiv.org/abs/math/0401169 3-dimensional methods in contact geometry].  (англ.)
  • Etnyre J. B. [arxiv.org/pdf/math/0306256 Legendrian and Transversal Knots].  (англ.)
  • Birman J.S. [arxiv.org/pdf/math/0403489 Braids, knots and contact structures].  (англ.)
  • Weisstein, Eric W. [mathworld.wolfram.com/KnotTheory.html Knot Theory] (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.

Отрывок, характеризующий Теория узлов



– Она приехала гостить ко мне, – сказала княжна Марья. – Граф и графиня будут на днях. Графиня в ужасном положении. Но Наташе самой нужно было видеть доктора. Ее насильно отослали со мной.
– Да, есть ли семья без своего горя? – сказал Пьер, обращаясь к Наташе. – Вы знаете, что это было в тот самый день, как нас освободили. Я видел его. Какой был прелестный мальчик.
Наташа смотрела на него, и в ответ на его слова только больше открылись и засветились ее глаза.
– Что можно сказать или подумать в утешенье? – сказал Пьер. – Ничего. Зачем было умирать такому славному, полному жизни мальчику?
– Да, в наше время трудно жить бы было без веры… – сказала княжна Марья.
– Да, да. Вот это истинная правда, – поспешно перебил Пьер.
– Отчего? – спросила Наташа, внимательно глядя в глаза Пьеру.
– Как отчего? – сказала княжна Марья. – Одна мысль о том, что ждет там…
Наташа, не дослушав княжны Марьи, опять вопросительно поглядела на Пьера.
– И оттого, – продолжал Пьер, – что только тот человек, который верит в то, что есть бог, управляющий нами, может перенести такую потерю, как ее и… ваша, – сказал Пьер.
Наташа раскрыла уже рот, желая сказать что то, но вдруг остановилась. Пьер поспешил отвернуться от нее и обратился опять к княжне Марье с вопросом о последних днях жизни своего друга. Смущение Пьера теперь почти исчезло; но вместе с тем он чувствовал, что исчезла вся его прежняя свобода. Он чувствовал, что над каждым его словом, действием теперь есть судья, суд, который дороже ему суда всех людей в мире. Он говорил теперь и вместе с своими словами соображал то впечатление, которое производили его слова на Наташу. Он не говорил нарочно того, что бы могло понравиться ей; но, что бы он ни говорил, он с ее точки зрения судил себя.
Княжна Марья неохотно, как это всегда бывает, начала рассказывать про то положение, в котором она застала князя Андрея. Но вопросы Пьера, его оживленно беспокойный взгляд, его дрожащее от волнения лицо понемногу заставили ее вдаться в подробности, которые она боялась для самой себя возобновлять в воображенье.
– Да, да, так, так… – говорил Пьер, нагнувшись вперед всем телом над княжной Марьей и жадно вслушиваясь в ее рассказ. – Да, да; так он успокоился? смягчился? Он так всеми силами души всегда искал одного; быть вполне хорошим, что он не мог бояться смерти. Недостатки, которые были в нем, – если они были, – происходили не от него. Так он смягчился? – говорил Пьер. – Какое счастье, что он свиделся с вами, – сказал он Наташе, вдруг обращаясь к ней и глядя на нее полными слез глазами.
Лицо Наташи вздрогнуло. Она нахмурилась и на мгновенье опустила глаза. С минуту она колебалась: говорить или не говорить?
– Да, это было счастье, – сказала она тихим грудным голосом, – для меня наверное это было счастье. – Она помолчала. – И он… он… он говорил, что он желал этого, в ту минуту, как я пришла к нему… – Голос Наташи оборвался. Она покраснела, сжала руки на коленах и вдруг, видимо сделав усилие над собой, подняла голову и быстро начала говорить:
– Мы ничего не знали, когда ехали из Москвы. Я не смела спросить про него. И вдруг Соня сказала мне, что он с нами. Я ничего не думала, не могла представить себе, в каком он положении; мне только надо было видеть его, быть с ним, – говорила она, дрожа и задыхаясь. И, не давая перебивать себя, она рассказала то, чего она еще никогда, никому не рассказывала: все то, что она пережила в те три недели их путешествия и жизни в Ярославль.
Пьер слушал ее с раскрытым ртом и не спуская с нее своих глаз, полных слезами. Слушая ее, он не думал ни о князе Андрее, ни о смерти, ни о том, что она рассказывала. Он слушал ее и только жалел ее за то страдание, которое она испытывала теперь, рассказывая.
Княжна, сморщившись от желания удержать слезы, сидела подле Наташи и слушала в первый раз историю этих последних дней любви своего брата с Наташей.
Этот мучительный и радостный рассказ, видимо, был необходим для Наташи.
Она говорила, перемешивая ничтожнейшие подробности с задушевнейшими тайнами, и, казалось, никогда не могла кончить. Несколько раз она повторяла то же самое.
За дверью послышался голос Десаля, спрашивавшего, можно ли Николушке войти проститься.
– Да вот и все, все… – сказала Наташа. Она быстро встала, в то время как входил Николушка, и почти побежала к двери, стукнулась головой о дверь, прикрытую портьерой, и с стоном не то боли, не то печали вырвалась из комнаты.
Пьер смотрел на дверь, в которую она вышла, и не понимал, отчего он вдруг один остался во всем мире.
Княжна Марья вызвала его из рассеянности, обратив его внимание на племянника, который вошел в комнату.
Лицо Николушки, похожее на отца, в минуту душевного размягчения, в котором Пьер теперь находился, так на него подействовало, что он, поцеловав Николушку, поспешно встал и, достав платок, отошел к окну. Он хотел проститься с княжной Марьей, но она удержала его.
– Нет, мы с Наташей не спим иногда до третьего часа; пожалуйста, посидите. Я велю дать ужинать. Подите вниз; мы сейчас придем.
Прежде чем Пьер вышел, княжна сказала ему:
– Это в первый раз она так говорила о нем.


Пьера провели в освещенную большую столовую; через несколько минут послышались шаги, и княжна с Наташей вошли в комнату. Наташа была спокойна, хотя строгое, без улыбки, выражение теперь опять установилось на ее лице. Княжна Марья, Наташа и Пьер одинаково испытывали то чувство неловкости, которое следует обыкновенно за оконченным серьезным и задушевным разговором. Продолжать прежний разговор невозможно; говорить о пустяках – совестно, а молчать неприятно, потому что хочется говорить, а этим молчанием как будто притворяешься. Они молча подошли к столу. Официанты отодвинули и пододвинули стулья. Пьер развернул холодную салфетку и, решившись прервать молчание, взглянул на Наташу и княжну Марью. Обе, очевидно, в то же время решились на то же: у обеих в глазах светилось довольство жизнью и признание того, что, кроме горя, есть и радости.
– Вы пьете водку, граф? – сказала княжна Марья, и эти слова вдруг разогнали тени прошедшего.
– Расскажите же про себя, – сказала княжна Марья. – Про вас рассказывают такие невероятные чудеса.
– Да, – с своей, теперь привычной, улыбкой кроткой насмешки отвечал Пьер. – Мне самому даже рассказывают про такие чудеса, каких я и во сне не видел. Марья Абрамовна приглашала меня к себе и все рассказывала мне, что со мной случилось, или должно было случиться. Степан Степаныч тоже научил меня, как мне надо рассказывать. Вообще я заметил, что быть интересным человеком очень покойно (я теперь интересный человек); меня зовут и мне рассказывают.
Наташа улыбнулась и хотела что то сказать.
– Нам рассказывали, – перебила ее княжна Марья, – что вы в Москве потеряли два миллиона. Правда это?
– А я стал втрое богаче, – сказал Пьер. Пьер, несмотря на то, что долги жены и необходимость построек изменили его дела, продолжал рассказывать, что он стал втрое богаче.
– Что я выиграл несомненно, – сказал он, – так это свободу… – начал он было серьезно; но раздумал продолжать, заметив, что это был слишком эгоистический предмет разговора.
– А вы строитесь?
– Да, Савельич велит.
– Скажите, вы не знали еще о кончине графини, когда остались в Москве? – сказала княжна Марья и тотчас же покраснела, заметив, что, делая этот вопрос вслед за его словами о том, что он свободен, она приписывает его словам такое значение, которого они, может быть, не имели.
– Нет, – отвечал Пьер, не найдя, очевидно, неловким то толкование, которое дала княжна Марья его упоминанию о своей свободе. – Я узнал это в Орле, и вы не можете себе представить, как меня это поразило. Мы не были примерные супруги, – сказал он быстро, взглянув на Наташу и заметив в лице ее любопытство о том, как он отзовется о своей жене. – Но смерть эта меня страшно поразила. Когда два человека ссорятся – всегда оба виноваты. И своя вина делается вдруг страшно тяжела перед человеком, которого уже нет больше. И потом такая смерть… без друзей, без утешения. Мне очень, очень жаль еe, – кончил он и с удовольствием заметил радостное одобрение на лице Наташи.
– Да, вот вы опять холостяк и жених, – сказала княжна Марья.
Пьер вдруг багрово покраснел и долго старался не смотреть на Наташу. Когда он решился взглянуть на нее, лицо ее было холодно, строго и даже презрительно, как ему показалось.
– Но вы точно видели и говорили с Наполеоном, как нам рассказывали? – сказала княжна Марья.
Пьер засмеялся.
– Ни разу, никогда. Всегда всем кажется, что быть в плену – значит быть в гостях у Наполеона. Я не только не видал его, но и не слыхал о нем. Я был гораздо в худшем обществе.
Ужин кончался, и Пьер, сначала отказывавшийся от рассказа о своем плене, понемногу вовлекся в этот рассказ.
– Но ведь правда, что вы остались, чтоб убить Наполеона? – спросила его Наташа, слегка улыбаясь. – Я тогда догадалась, когда мы вас встретили у Сухаревой башни; помните?
Пьер признался, что это была правда, и с этого вопроса, понемногу руководимый вопросами княжны Марьи и в особенности Наташи, вовлекся в подробный рассказ о своих похождениях.


Источник — «http://wiki-org.ru/wiki/index.php?title=Теория_узлов&oldid=75583648»