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定理Theorem

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。

形式陈述 ​

对一个结或链环图,Reidemeister 变换是在一个不含其他弧的小圆盘内作以下替换,圆盘外的图保持不动:

  1. I 型:产生或消去一个带单个自交叉的小扭圈。
  2. II 型:产生或消去两个相邻交叉;同一条局部弧在两个交叉处都从另一条弧上方经过,或都从下方经过。
  3. III 型:把一条弧从另外两条弧的交叉旁滑过去,保持三条弧两两之间的上下次序。

变换还包括这些局部模型的旋转、镜像及反向操作。有向图必须在圆盘边界保持方向相容。平面同痕只是连续挪动图中已有的弧和交叉,也被允许。

Reidemeister 定理:两个 tame 结或链环图表示环境同痕等价的空间链环,当且仅当它们可经有限次这三类变换与平面同痕互相转化。

每行只改变局部圆盘内的弧;III 型用三股辫的两个等价局部图表示,上下次序保持不变。
直觉

画图时,空间绳圈始终不相交,但投影到平面的影子可以出现临界瞬间。一个小弯在投影中翻过来,产生 I 型;两条影子相切后分开,产生或消去一对交叉,得到 II 型;三个影子短暂经过同一点,前后对应 III 型。三种变化记录的是投影的变化,不是绳圈实际穿透。

定理的困难方向是“任何空间变形都能拆成这三类”。证明把一段环境同痕稍作一般位置扰动,使绝大多数时刻投影都正常,只有有限多个孤立临界时刻。分析允许的简单奇性后,恰好留下上述三种模型。反方向则为每个模型画出三维中的小范围移动,不需要改变其余绳圈。

例子与边界

两个交叉为什么未必能抵消 ​

在两股同向的辫图中,记 σ1 为左股从右股上方穿过,σ1−1 为相反交叉。相邻的 σ1σ1−1 可以用 II 型消去;σ12 则不满足同一股在两处都位于上方的条件。把后者也擦掉,会把 Hopf 链环错误地变成两条分开的圆。

III 型的一个标准模型为

σ1σ2σ1⟷σ2σ1σ2.

跟踪三条实体股时,最上层股始终在另外两股之上,中间股始终在最低股之上。只看交叉的平面位置,不追踪哪一股经过哪一股,会把合法 III 型与改变交叉混淆。

检查 writhe 为什么不是结不变量 ​

给图的每个分支定向,并对交叉赋符号 ε(c)=±1。本文采用两股均向下时,左上到右下的股在上方的交叉为正;等价地,在朝向观察者的平面正向下,取有序切向量“欠股、过股”的行列式符号。定义

w(D)=∑cε(c).

一次 I 型产生一个正或负交叉,所以 w 改变 ±1。II 型产生的两项符号相反,和为零;III 型逐个保留三处交叉的符号,故不改总和。

因此,若平凡结图 D0 没有交叉,而 D1 是加一个正扭圈的图,则它们表示相同的结,但

c(D0)=0,c(D1)=1,w(D0)=0,w(D1)=1.

图的交叉总数 c(D) 与 writhe 都不直接是结不变量。最小交叉数 minDc(D) 才依赖结型,但从某一张图读到的交叉数通常只是上界。

III 型不能随意省去 ​

I、II 型主要改变图的交叉数量;III 型在不改数量的情况下重排交叉。验证一个图上公式时,即使确认它能消去扭圈和双交叉,也仍须检验 III 型。相反,只对 II、III 型不变的量称为 regular isotopy 不变量,尚未成为环境同痕不变量。Kauffman bracket 正好属于这种情形,需要额外用 writhe 修正 I 型。

推论与应用

构造图不变量时,可遵循一个明确的检查过程:先规定平面同痕下不变的计算规则,再分别建立每类局部变换前后的值相同。若对象是染色集合,最好给出局部染色的双射,而不仅比较几个图的数量。Fox 染色用三个代数恒等式完成这个检查;Jones 多项式则用状态展开与扭圈归一化完成它。

定理保证等价图之间存在有限序列,却没有单凭陈述给出搜索所需的交叉上界。反复寻找“能减少交叉的步骤”并不构成完整判定算法,因为化简过程可能需要先增加交叉。若要声称算法必然终止,还需额外的有限搜索界或其他判定理论。

参考资料
关系图谱8 个相邻概念 · 2 类关系

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