形式陈述
取 n ≥ 1 ,在圆盘 D 2 中固定 n 个不同点。一个 n 股辫 是在 D 2 × [ 0 , 1 ] 中连接上下两组固定端点的 n 条互不相交曲线,并且高度投影在每条股线上都是到 [ 0 , 1 ] 的微分同胚;允许端点之间形成置换。按固定边界的、始终保持辫条件的同痕取等价类,得到辫群 公理库 群 Group 配备结合二元运算、单位元,并且每个元素都有逆元的集合。 B n 。
群乘法由上下堆叠组成,单位元是 n 条竖直股线,逆元通过反向播放辫运动得到。本页辫字从上到下读取,并以相同顺序约定端点置换的右作用,避免与通常函数复合的先后顺序混淆。
令 σ i 表示第 i 股从第 i + 1 股上方穿过,其他股直行。Artin 的呈示 公理库 群的呈示 Group presentation 用生成元集合和关系集合给出群的商结构描述。 为
B n = ⟨ σ 1 , … , σ n − 1 | σ i σ j = σ j σ i , | i − j | ≥ 2 , σ i σ i + 1 σ i = σ i + 1 σ i σ i + 1 , 1 ≤ i < n − 1 ⟩ . 这里没有 σ i 2 = 1 这条关系;辫记录完整缠绕,远比只记录端点置换丰富。
直觉
把 n 个点在平面上随时间移动,要求它们永不碰撞,运动轨迹就形成辫。相隔较远的两次交换可以互换顺序;相邻三点的两套交换对应三股滑移,产生 Artin 的三项关系。高度单调保证我们研究的是受约束的运动,而不是任意一组空间绳段。
将每个底端从辫外侧接回同位置的顶端,得到辫的闭包 β ^ ,它是一个有向链环 公理库 结与链环 Knot and link 把结定义为圆在三维空间中的嵌入,区分结型、链环分支、投影图与过欠交叉,并验证三叶结参数化。 。闭合后原先的起点层面不再特殊,股数也不再由链环本身唯一决定,因此许多不同辫会有同一个闭包。
例子与边界
两股辫已经显示“置换不够”
B 2 只有生成元 σ 1 ,没有其他定义关系,所以 B 2 ≅ Z 。端点置换只读取指数的奇偶:偶次回到原位置,奇次交换位置。因此 1 与 σ 1 2 的置换相同,但它们在辫群中不同。
闭包也不同:1 ^ 是两个分开的圆,σ 1 2 ^ 是环绕数 公理库 链环的环绕数 Linking number 两个有向分支的混合交叉符号和的一半给出整数环绕数,计算 Hopf 链环并解释方向、交叉改变与零值的边界。 为一的 Hopf 链环。σ 1 3 ^ 则只有一个分支,是三叶结。一般地,闭包的分支数等于端点置换的循环个数,因为沿一股走到底、接回顶部后,正是在沿该置换的循环追踪。
辫字的指数和给出同态 B n → Z :两类 Artin 关系的两边都有相同指数和,约去 σ i σ i − 1 也不改它。因此 σ i 2 不可能是单位元。这为“不是置换群”提供了代数证明。
三股关系如何保持实体股次序
局部图
σ 1 σ 2 σ 1 = σ 2 σ 1 σ 2 可按三条实体股追踪:第一条始终从其余两条上方经过,第二条只从第三条上方经过。两边改变的是交叉发生的高度顺序,没有改变任意两股的上下关系。它正对应 III 型变换 公理库 Reidemeister 变换 Reidemeister moves · Reidemeister theorem 三类局部图变换恰好生成 tame 结的环境同痕,说明交叉数和 writhe 的变化以及不变量应如何逐类验证。 ,而不是让股线互相穿透。
推论与应用
从所有链环到闭辫
Alexander 定理断言每个有向 tame 链环都能表示为某个辫的闭包。其构造机制是选一根轴,将图中的弧调整为一致绕轴前进;逆向的弧通过局部拉长替换为顺向弧,保持链环型。定理提供存在性与一种构造过程,并不保证得到最少股数。
Markov 定理进一步说明两个辫闭包何时同痕:在所有 B n 的不交并中,等价关系由两类操作及其逆生成:
在同一个 B n 中共轭:β ↦ α β α − 1
稳定化:把 β ∈ B n 嵌入 B n + 1 ,再变成 β σ n ± 1
共轭对应移动闭包的切开位置;稳定化多加一股及一个交叉,但闭合后只相当于局部扭圈。只在固定 n 下检查共轭,不能穷尽闭包等价。
例如 B 1 的单位辫闭包是平凡结。一次正稳定化得到 B 2 的 σ 1 ,其闭包仍是平凡结,因为唯一交叉可由 I 型消去。这两个辫甚至不在同一个群中,却代表同一个结。相反,不能把 B 2 的单位元直接当作 B 1 单位元的稳定化:缺少那一次交叉会留下两个分支。
Jones 多项式 公理库 Jones 多项式与 Kauffman 括号 Jones polynomial · Kauffman bracket 把两个平滑的状态和归一化为 Jones 多项式,逐项核验扭圈校正并完整求出三叶结的八状态和。 的原始构造通过辫群表示与特殊迹,分别抵消共轭与稳定化的影响。这个背景解释了为什么“在辫群关系下不变”还不足以得到链环不变量;还须通过 Markov 两类操作的检查。
参考资料
Vaughan F. R. Jones,A Polynomial Invariant for Knots via von Neumann Algebras ,pp. 103–105,Alexander 与 Markov 定理、辫群关系和闭包不变量的接口。
Joan S. Birman,Braids, Links, and Mapping Class Groups ,Annals of Mathematics Studies 82,Princeton University Press, 1974,Ch. 2,闭辫与 Markov 定理;亦见 Jones 论文参考文献 [4]。