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定义Definition

Wirtinger 结群表示

Wirtinger presentation · Knot group

用图的弧作为子午线生成元、交叉作为共轭关系,完整化简三叶结群并构造到 S₃ 的满同态。

形式陈述 ​

对结 K⊂S3,结群是补空间的基本群

GK=π1(S3∖K,x0).

补空间路径连通,改变基点只改变非规范同构;作为抽象群的同构类型是结不变量。也可去掉一个开管状邻域研究结外部,它与补空间同伦等价。

对有向结图,在每个欠交叉处切断,所得连续段称为弧。Wirtinger 方法给每条弧一个生成元,几何上对应绕该弧一次的子午线,并用从共同基点到局部小圆的路径把它们接回基点。每个交叉给出一条共轭关系,形成一个群呈示。

固定子午线方向与基点路径约定,使图示正交叉中,过弧为 a、欠弧进入为 b、离开为 c 时,关系为

c=aba−1.

镜像交叉相应为 c=a−1ba。改变全套子午线约定可能把生成元或共轭方向同时取逆,得到的是等价呈示;不能在同一张图里混用两种约定。

直觉

子午线表示“绕一段绳子一圈”。沿欠弧把这条小回路从交叉一侧移到另一侧时,必须绕过上面的绳子,接到基点的路径因此多出一次往返。群中“先绕过去,做原回路,再绕回来”正是共轭,所以交叉关系不是简单的 b=c。

证明可把补空间分成图上方的部分以及各交叉附近的局部块。上方部分的子午线生成一个自由群;加入交叉块时,用 Seifert–van Kampen 定理加入对应共轭关系。这个空间分解解释了为什么每个交叉需要一条关系,也说明呈示来自补空间,而不是任意给图贴标签。

例子与边界

三叶结的三个关系 ​

使用下面同一张三交叉图。沿参数方向追踪:过弧 a 的交叉把欠弧 b 接到 c;过弧 b 把 c 接到 a;过弧 c 把 a 接到 b。于是

GK=⟨a,b,c∣c=aba−1, a=bcb−1, b=cac−1⟩.
弧标签按欠交叉切分。三个交叉循环给出 c=aba⁻¹、a=bcb⁻¹、b=cac⁻¹。

由第一条消去 c,第二条变成

a=baba−1b−1⟺aba=bab.

第三条在此关系下自动成立,因为

cac−1=aba−1a(ab−1a−1)=abab−1a−1=babb−1a−1=b.

所以简化呈示为

GK≅⟨a,b∣aba=bab⟩.

这里每一步都是消去已定义的生成元或冗余关系,没有假设 a,b 可交换。

用一个有限商证明它非交换 ​

令 a↦(12)、b↦(23)。置换复合采用先右后左约定,则

(12)(23)(12)=(13)=(23)(12)(23),

所以关系成立,呈示的泛性质给出同态 GK→S3。两相邻换位生成 S3,故同态满射;而 S3 非交换,所以 GK 也非交换。

平凡结的外部是实心环面,形变收缩到一个圆,因此群为 Z,是交换群。两结群不同,便证明三叶结不是平凡结。这次判断不依赖“看起来打了结”。

若再把三叶结群交换化,关系 aba=bab 只剩 2a+b=a+2b,即 a=b,得到 Z。所以一阶同调在这个例子里无法区别平凡结与三叶结;保留非交换结构确实增加了信息。

推论与应用

输入一张有 c 个交叉、邻接与过欠数据已给出的结图,逐弧编号并写交叉关系需要 O(c+1) 次符号操作,输出呈示大小也是 O(c+1)。常数项覆盖无交叉平凡结:它仍有一条弧和一个生成元。这只是构造呈示的复杂度,不意味着比较两个所得群或求解任意词都只需线性时间。不能把“很快写下答案的描述”与“很快判定描述的全部性质”混为一谈。

Fox 染色可视为把子午线送到二面体群中的反射,再把共轭关系写成线性同余。若继续研究结的完整拓扑,还应保留周边数据,例如子午线、经线在群中的共轭类;裸的抽象群不能直接当作已经记录了所有定向与周边信息。

参考资料
关系图谱20 个相邻概念 · 3 类关系

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