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数学中的反例——绞拧数和扭结

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扭结理论历史上有一个有趣的反例:

有将近100年间,人们认为以上两个是不同的扭结,但它们其实是相同的!

首先,数学中的扭结都是首尾相接的。

1900年,美国的查尔斯·牛顿·利特(Charles Newton Little,1858–1923)在对扭结编制图表时,曾经认为以下结论是一个“定理”:

两个最简(reduced)扭结,如果有不同的“绞拧数”(Writh),则必然是不同的扭结。

“绞拧数”是一个扭结不变量,它的计算方式如下。把一个扭结定向,然后观察每个交叉点的交叉方式:

左侧的方式为记作“正交叉”,右侧的方式记作“负交叉”。可以使用“右手原则”记忆以上计算方式:

用右手四值指向从上方穿越交叉点的箭头方向,然后让四指转向从下方穿过箭头的方向。此时,如果大拇指指向自己,则这个交叉为“正”;如果大拇指背向自己,则这个交叉点为“负“。

正交叉数减去负交叉数,即为该扭结的“绞拧数”。对扭结来说,两种定向方式,交叉点的正负性不变,因此定向方式不会影响”绞拧数“。

以下是一些扭结的交叉点正负性和绞拧数(w):

”最简扭结“就是把一个扭结进行简化,使得其交叉点数变为最少。当某扭结化为最简扭结时,其交叉点数就是它的一个特征量。交叉点数不同的扭结肯定是不同的扭结。但交叉点相同的扭结,不一定能互相转化。

一开始的扭结理论研究者,在编制扭结列表时,自然得根据交叉点数,从小到大编制列表。这张表的开头部分是这样的:

早期的表格编制者发现,具有不同”绞拧数“的扭结,总是不同的扭结。因此,人们认为“绞拧数”是一个区分扭结得很不错的不变量。直到1970年,一位纽约的律师Kenneth Perko,同时也是业余扭结理论爱好者,发现了如下两个具有10个交叉点的扭结:

它们具有不同的绞拧数,但是它们却是可以互相转化的!

关于绞拧数,我做了两张图并计算验证了一下:

上图的扭结的10个交叉点全为“负”,绞拧数为-10。

这个转化如此难以发现,以至于著名数学家,也是扭结理论专家的约翰·霍顿·康威(John Horton Conway,1937年12月26日-2020年4月11日),在1960年代早期编制的扭结列表中,仍误认为以上两个扭结是不同的扭结。

现在以上两个扭结被称为“Perko Pair”,Perko转换这两个扭结的一个关键操作,被称为Perko操作(Perko move):

个人感想:

在扭结理论中,希望一个好的不变量有以下两个特性:

  1. 对拓扑等价的扭结,总是给出同样的不变量值。

  2. 对拓扑不等价的扭结,总是给出不同的不变量值。

一般来说第一条比较容易满足,而很多不变量只能满足第一条,而不满足第二条。而“绞拧数”作为不变量,竟然第一条都不满足,第二条却满足得不错,这实在是意外!

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