“Wirtinger 结群呈示是本定理的一项具体计算:图的每条弧给子午线生成元,每个交叉给共轭关系。三叶结的呈示化成 $\langle a,b\mid aba=bab\rangle$ 后,可满…”
形式陈述
对结
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
镜像交叉相应为
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
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
由第一条消去
第三条在此关系下自动成立,因为
所以简化呈示为
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
用一个有限商证明它非交换
令
所以关系成立,呈示的泛性质给出同态
平凡结的外部是实心环面,形变收缩到一个圆,因此群为
若再把三叶结群交换化,关系
推论与应用
输入一张有
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
- José Pedro Quintanilha,Knot Theory, Lecture 7: The Fundamental Group,Wirtinger 呈示、二面体群染色与平凡结群。
- W. B. R. Lickorish,An Introduction to Knot Theory,Ch. 11 “The Fundamental Group”,pp. 110–122。