形式陈述
对无向链环图 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。 D ,在每个交叉选择两种平滑之一。固定以下约定:图中左上至右下的股在上方时,A -平滑连接左上至左下、右上至右下;B -平滑连接两个上端和两个下端。镜像交叉的两个系数交换。设
δ = − A 2 − A − 2 . 计算在整数多项式环 公理库 多项式环 Polynomial ring 系数来自给定环、以形式不定元构造的多项式集合。 添入 A − 1 后的 Laurent 环中进行:每个结果都是有限和 ∑ k ∈ Z a k A k ,不涉及解析级数的收敛。Kauffman bracket 由局部规则
交 叉 平 滑 平 滑 ⟨ 交叉 ⟩ = A ⟨ A -平滑 ⟩ + A − 1 ⟨ B -平滑 ⟩ 及 ⟨ ◯ ⟩ = 1 、⟨ D ⊔ ◯ ⟩ = δ ⟨ D ⟩ (D 非空)确定。
图片加载失败 本图的 A 平滑是两条竖弧,B 平滑是上、下各一条连接弧;镜像交叉交换 A 与 A⁻¹。 若 D 有 c 个交叉,一个状态 s 指定所有交叉的平滑。记两种选择数量为 a ( s ) , b ( s ) ,平滑后圆的数量为 | s | ,则
⟨ D ⟩ = ∑ s ∈ { A , B } c A a ( s ) − b ( s ) δ | s | − 1 . 给 D 定向,沿用 Reidemeister 变换中的交叉符号约定,令 writhe w ( D ) = ∑ c ε ( c ) ,即正交叉数减去负交叉数,定义
f D ( A ) = ( − A 3 ) − w ( D ) ⟨ D ⟩ , V L ( t ) = f D ( A ) | A = t − 1 / 4 . 归一化后得到 Jones 多项式,并满足平凡结的值为 1 。单个结的 V K 属于 Z [ t , t − 1 ] ;链环可能出现半整数指数。
直觉
每个交叉都被两种无交叉连接替代,状态和把所有选择的贡献相加。它不是挑一条最像原图的平滑,也不是把交叉信息直接丢弃:A 与 A − 1 的权重负责记住选了哪种连接。
原始 bracket 对 II、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。 不变,却会被 I 型小扭圈乘上额外因子。writhe 恰好记录扭圈的正负个数,因此它的作用是抵消这个因子,使最后的值属于空间链环,而不依赖画图时多扭了几个圈。
例子与边界
先核验一个正扭圈
按图示约定,一个正扭圈的两种平滑分别给出“原弧加一个圆”与“原弧”,所以
⟨ D + ⟩ = ( A δ + A − 1 ) ⟨ D ⟩ = − A 3 ⟨ D ⟩ . 同时 w ( D + ) = w ( D ) + 1 ,因此
( − A 3 ) − w ( D ) − 1 ⟨ D + ⟩ = ( − A 3 ) − w ( D ) ⟨ D ⟩ . 负扭圈相应乘 − A − 3 ,也被抵消。比如带一个正扭圈的平凡结图有 bracket − A 3 ,归一化后仍为 1 ;不加这一因子就会给同一个结两个不同答案。
II 型可用两条无交叉连接来核对。记竖直连接为 I ,上下帽形连接为 e ,堆叠满足 e 2 = δ e 。正、负交叉相乘展开为
( A I + A − 1 e ) ( A − 1 I + A e ) = I + ( A 2 + A − 2 + δ ) e = I . III 型再对一个交叉展开,两个平滑图各可通过 II 型与平面同痕对应,所以两侧 bracket 一样。这说明不变性依赖所选 δ ,并非任何圆权重都可以。
三叶结的八个状态逐类相加
把三叶结取为两股正辫 公理库 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。 σ 1 3 的闭包,故 w = 3 。按 B -平滑的数量分组:
| b ( s ) | 状态数 | 平滑后圆数 | s | | 合计贡献 |
| --- | --- | --- | --- |
| 0 | 1 | 2 | A 3 δ |
| 1 | 3 | 1 | 3 A |
| 2 | 3 | 2 | 3 A − 1 δ |
| 3 | 1 | 3 | A − 3 δ 2 |
这些圆数可直接从两股连接追踪:没有 e 时闭包是两个圆;一个 e 时一个圆;每多堆叠一个 e ,由 e 2 = δ e 多出现一个独立圆。因此八个状态确实为 1 + 3 + 3 + 1 ,没有省掉状态。
代入 δ 并合并同类项:
⟨ D ⟩ = A 3 ( − A 2 − A − 2 ) + 3 A + 3 A − 1 ( − A 2 − A − 2 ) + A − 3 ( A 4 + 2 + A − 4 ) = − A 5 − A − 3 + A − 7 . 归一化为
f D ( A ) = ( − A 3 ) − 3 ⟨ D ⟩ = A − 4 + A − 12 − A − 16 , 所以
V K ( t ) = t + t 3 − t 4 . 镜像把过欠全部交换,等价于 A ↔ A − 1 ,最终得到 V K ― ( t ) = t − 1 + t − 3 − t − 4 。两式不同,因此这对镜像三叶结不等价。
推论与应用
若输入链环图有 c 个交叉和 ℓ 个分支,朴素状态枚举有 2 c 项,每个状态可用 O ( c + ℓ ) 次图遍历操作追踪圆,因此这部分组合成本为 O ( ( c + ℓ ) 2 c ) 。展开 δ 的幂、合并 Laurent 系数及大整数运算的成本还要另计,不能把这项遍历界直接当作完整的位复杂度。递归缓存与图结构可减少实际成本,但状态和定义本身不意味着多项式时间算法。
Jones 多项式值不同能证明结不同,值相同一般不足以证明等价。本例及其镜像的Alexander 多项式 公理库 Alexander 多项式与 Seifert 矩阵 Alexander polynomial · Seifert matrix 由 Seifert 曲面上的推离环绕数构造矩阵,解释行列式的不变量来源,并完成三叶结多项式与亏格下界计算。 都为 t − 1 + t − 1 ,但上面两个 Jones 多项式不同。这一对具体结说明两种不变量保留的信息不同;比较时仍须固定图、方向与归一化,不能把任何一个当成结型的完整分类。
参考资料