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定义Definition

辫群与闭包

Braid group · Braid closure

用单调空间股线定义辫群及 Artin 关系,区分辫相等与闭包同痕,并通过 Markov 变换解释不同股数的同一个结。

形式陈述 ​

取 n≥1,在圆盘 D2 中固定 n 个不同点。一个 n 股辫是在 D2×[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 Bn。

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 σi 表示第 i 股从第 i+1 股上方穿过,其他股直行。Artin 的呈示为

Bn=⟨σ1,…,σn−1 | σiσj=σjσi,|i−j|≥2,σiσi+1σi=σi+1σiσi+1,1≤i<n−1⟩.

这里没有 σi2=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。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” ​

B2 只有生成元 σ1,没有其他定义关系,所以 B2≅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 σ12 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,σ12^ 是环绕数为一的 Hopf 链环。σ13^ 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 Bn→Z:两类 Artin 关系的两边都有相同指数和,约去 σiσi−1 也不改它。因此 σi2 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

σ1σ2σ1=σ2σ1σ2

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,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 Bn 的不交并中,等价关系由两类操作及其逆生成:

  • 在同一个 Bn 中共轭:β↦αβα−1
  • 稳定化:把 β∈Bn 嵌入 Bn+1,再变成 βσn±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 B1 的单位辫闭包是平凡结。一次正稳定化得到 B2 的 σ1,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 B2 的单位元直接当作 B1 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]。
关系图谱15 个相邻概念 · 3 类关系

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