Кіріспе
Үш байланысты, бірақ жұппен ажыратылған сақиналар. Математикада Борромея сақиналары – үш өлшемді кеңістіктегі үш жабық қисық, олар топологиялық тұрғыдан байланысқан және бір-бірінен бөліне алмайды, бірақ үш сақинаның кез келгенін кесіп немесе алып тастағанда екі түйінсіз және байланыспаған контурға ажыратылады. Көбінесе бұл сақиналар жазықтықта үш шеңбер түрінде бейнеленеді, Венн диаграммасының орнықты үлгісінде, қиылысқан жерлерде бірінің үстінен, бірінің астынан өтіп, кезектесіп қиылысады. Егер басқа үш қисық осы суреттегі қисықтармен топологиялық жағынан сәйкес болса, олар да Борромея сақиналары деп аталады. Борромея сақиналары итальяндық Борромео әулетінің құрметіне аталған, олар осы сақиналардың дөңгелек пішінін өздерінің елтаңбаларында пайдаланған. Алайда, Борромея сақиналарына негізделген суреттер көптеген мәдениеттерде қолданылған, оның ішінде викингтер мен Жапонияда да. Олар христиандық символизмде Құдайдың үш бірлігін білдіретін белгі ретінде, ал қазіргі заманда Ballantine сырасының логотипі ретінде қолданылады, сондықтан оларды «Ballantine сақиналары» деп те атайды. Борромея сақиналарының физикалық үлгілері байланысқан ДНҚ немесе басқа молекулалардан жасалған, ал олардың Ефимов күйіндегі және Борромеялық ядролардағы аналогтары бар, онда үш компонент бір-бірімен байланысқан, бірақ екеуі де жеке байланыспаған. Геометриялық тұрғыдан Борромея сақиналарын байланысқан эллипстер немесе (дәстүрлі икосаэдрдің төбелерін пайдалана отырып) байланысқан алтын тіктөртбұрыштар арқылы жүзеге асыруға болады. Оларды үш өлшемді кеңістікте шеңберлерді пайдалану арқылы жүзеге асыру мүмкін емес, бірақ кеңістіктегі кез келген дөңгелек емес жабық қисықтың көшірмелерімен жүзеге асыруға болатыны болжанған. Тораптар теориясында Борромея сақиналарының байланысқандығын олардың Fox n түстерін санау арқылы дәлелдеуге болады. Тораптар ретінде олар Брунн тораптары, ауыспалы, алгебралық және гиперболалық тораптар болып табылады. Арифметикалық топологияда белгілі бір жай сандардың үштігі Борромея сақиналарына ұқсас байланыс қасиеттерін көрсетеді.
In mathematics, the Borromean rings are three simple closed curves in three dimensional space that are topologically linked and cannot be separated from each other, but that break apart into two unknotted and unlinked loops when any one of the three is cut or removed. Most commonly, these rings are drawn as three circles in the plane, in the pattern of a Venn diagram, alternatingly crossing over and under each other at the points where they cross. Other triples of curves are said to form the Borromean rings as long as they are topologically equivalent to the curves depicted in this drawing. The Borromean rings are named after the Italian House of Borromeo, who used the circular form of these rings as an element of their coat of arms, but designs based on the Borromean rings have been used in many cultures, including by the Norsemen and in Japan. They have been used in Christian symbolism as a sign of the Trinity, and in modern commerce as the logo of Ballantine beer, giving them the alternative name Ballantine rings. Physical instances of the Borromean rings have been made from linked DNA or other molecules, and they have analogues in the Efimov state and Borromean nuclei, both of which have three components bound to each other although no two of them are bound. Geometrically, the Borromean rings may be realized by linked ellipses, or (using the vertices of a regular icosahedron) by linked golden rectangles. It is impossible to realize them using circles in three dimensional space, but it has been conjectured that they may be realized by copies of any non circular simple closed curve in space. In knot theory, the Borromean rings can be proved to be linked by counting their Fox n colorings. As links, they are Brunnian, alternating, algebraic, and hyperbolic. In arithmetic topology, certain triples of prime numbers have analogous linking properties to the Borromean rings.
Анықтама және белгіленуі
Математикалық басылымдарда Боромеялық сақиналарды анықтауда, олар көбінесе түйін диаграммасы ретінде сипатталады – жазықтықтағы қисықтардың суреті, онда қиылыстар қай қисық немесе қисықтың бөлігі әр қиылыста жоғары немесе төменнен өтетінін көрсету үшін белгіленеді. Мұндай суретті үш өлшемді кеңістіктегі қисықтар жүйесіне айналдыру үшін жазықтықты кеңістікке ендіріп, диаграммада көрсетілгендей, әр қиылыста оған салынған қисықтарды жазықтықтың үстінен немесе астынан деформациялау қажет. Боромеялық сақиналар үшін ең көп қолданылатын диаграмма – бұрыштары тең үшбұрыштың төбелерінде орналасқан үш бірдей шеңберден тұрады, олардың ішкі жазықтықтары ортақ қиылысқа ие (мысалы, Венн диаграммасында немесе Рейло үшбұрышын анықтау үшін қолданылатын үш шеңбер сияқты). Оның қиылыстары әр шеңберді тізбектеп қарағанда жоғарыдан төменге ауысады; үш шеңбердің арақатынасын сипаттаудың тағы бір тең баламасы – әр шеңбер екінші шеңбердің үстінен екі қиылыста да, ал үшінші шеңбердің астынан екі қиылыста да өтеді. Егер екі түйін кеңістіктің үздіріссіз деформациясы (орталық изотопия) арқылы бірін-біріне айналдырылса, олар эквивалентті деп есептеледі, ал Боромеялық сақиналар осы түйіннің стандартты диаграммасына осы мағынада эквивалентті кез келген түйінге сілтеме жасай алады. "The Knot Atlas" кітабында Боромеялық сақиналар "L6a4" кодымен белгіленеді; бұл код түйіннің алты қиылысы бар және ауыспалы диаграммасы бар екенін білдіреді, және Морвен Тистлтвейт анықтаған 13 қиылысқа дейінгі барлық жай түйіндердің тізімінде бұл бес ауыспалы 6 қиылысты түйіндердің төртіншісі. Дейл Рольфсеннің 1976 жылғы "Түйіндер және түйілістер" кітабындағы түйіндер мен түйілістер кестелерінде, Александр мен Бриггстің 1920 жылдардағы бұрынғы тізімдерін кеңейте отырып, Боромеялық сақиналарға Александр-Бриггс "6" белгісі берілді, яғни бұл тізімдегі үш компонентті 6 қиылысты түйілістердің екіншісі. Боромеялық сақиналар үшін Конвей белгісі ".1" – бұл осы түйінге арналған стандартты түйін диаграммасының қысқартылған сипаттамасы.
Тарих және символика
"Борромео сақиналары" атауы Солтүстік Италиядағы аристократиялық Борромео әулетінің гербінде үш байланысқан шеңбер түрінде осы сақиналардың бейнеленуінен туындаған. Мұндай байланыс өте ерте заманнан белгілі, 7 ғасырға жататын скандинавиялық тасқа салынған суреттерде параллель қабырғалары бар үш теңқабырлы үшбұрыш – валькнут түрінде кездеседі. Жапониядағы Омива киіз үйі де дәстүрлі дөңгелек пішіндегі Борромео сақиналарының мотивімен әсемделген. Үндістандағы 6 ғасырлық Марундеесваар киіз үйінің тас тірегінде бір-біріне бұрылып орналасқан үш теңқабырлы үшбұрыш бейнеленген. Бұл үшбұрыштар Борромео сақиналары сияқты бір-бірімен байланысқан, бірақ жұпталып байланыспаған, алайда бұл қиылыс үлгісі Борромео сақиналарынан өзгеше байланысты көрсетеді. Борромео сақиналары әртүрлі контекстерде бірлікте күштілікті білдіру үшін қолданылған. Атап айтқанда, кейбір адамдар оны үштік символы ретінде пайдаланған. 13 ғасырлық француз қолжазбасында Борромео сақиналары "үштіктегі бірлік" деп белгіленген, бірақ 1940 жылы өртте жойылды. Алайда, Адольф Наполеон Дидронның 1843 жылғы кітабында қайта жарияланды. Дидрон және басқалар Дантенің "Жұмақ" поэмасының 33-шы кантосындағы үш тең шеңбер түріндегі үштік сипаттамасы осыған ұқсас бейнелерден шабыттанғанын болжады, бірақ Данте бұл шеңберлердің геометриялық орналасуын егжей-тегжейлі сипаттамаған. Психоаналитик Жак Лакан адамдық субъективтіліктің топологиясының моделі ретінде Борромео сақиналарынан шабыттанды, әр сақина шындықтың Лакандық негізгі компонентін ("нақты", "ойшау" және "символдық") білдіреді. Сақиналар Ballantine сырасының логотипі ретінде пайдаланылған және қазіргі кезде Pabst Brewing Company тарапынан таралған Ballantine брендінің сырасында да қолданылуда. Осы себепті оларды кейде "Баллантин сақиналары" деп атайды. Борромео сақиналарын қамтитын түйін теориясының алғашқы еңбегі Питер Тейттің 1876 жылы құрастырған түйіндер мен байланыстар каталогы болды. Оқу-ағарту математикасында Борромео сақиналарын Мартин Гарднер танымал етті, ол 1961 жылғы қыркүйекте Scientific American журналындағы "Математикалық ойындар" бағанында Борромео сақиналары үшін Сейферт беттерін ұсынды. 2006 жылы Халықаралық математикалық одақ Мадридте өткен 25-ші Халықаралық математиктер конгресінде Борромео сақиналарына негізделген жаңа логотипті пайдалану туралы шешім қабылдады.
Ішінара және бірнеше сақиналар
Орта ғасырлық және Ренессанс Еуропасында бірнеше визуалды белгілер Борромея сақиналарының өзара байланысқан түрінде (олардың дәстүрлі екі өлшемді бейнеленуінде) көрсетілгендей, үш элементтен тұрады, бірақ жеке элементтері жабық циклдар емес. Мұндай символдарға Снольделев тас мүйіздері мен Пуатье Дианасының айлары жатады. Кейбір түйіндік теориялық байланыстарда бірнеше Борромея сақиналары конфигурациясы кездеседі; осы типтегі бес ілмекті байланыс Дискордиандықтарда символ ретінде қолданылады, ол Principia Discordia-дағы бейнелеуге негізделген.
Байланыстылық
Торап теориясында Борромея сақиналары Брунн байланысының қарапайым мысалы болып табылады – байланыс, оны бөліп алу мүмкін емес, бірақ оның кез келген компонентін алып тастағанда жеке түйінсіз шеңберлерге ыдырайды. Брунн байланыстары шексіз көп, және үш қисықты Брунн байланыстары да шексіз көп, олардың ішінде Борромея сақиналары ең қарапайымы. Борромея сақиналарының байланысты екенін көрсетудің бірнеше тәсілі бар. Олардың бірі – Fox n түс беру, яғни байланыс диаграммасының доғаларын n модульді бүтін сандармен түс беру, сонда әр қиылыста төменгі қиылыстағы екі түстің орташасы (n модулі бойынша) жоғарғы қиылыстан өтетін доғаның түсімен сәйкес келуі керек, және кемінде екі түс қолданылуы тиіс. Бұл шарттарға сәйкес келетін түстердің саны – түйін инварианты, ол байланыс үшін таңдалған диаграммаға тәуелсіз. Үш компоненттен тұратын тривиальды байланыс үшін, оның стандартты диаграммасынан әр компонент үшін дербес түс таңдап, тек бір түс қолданылған түстерді жою арқылы түстердің саны алынады. Борромея сақиналарының стандартты диаграммасы үшін, керісінше, екі доға жұбы екі төменгі қиылыста кездеседі, бұл олардан жоғары өтетін доғалардың бір-бірімен бірдей түске ие болуын қамтамасыз етеді, содан кейін қиылысу шарттарына сәйкес келетін жалғыз түстер бірнеше түс қолдану шартын бұзады. Тривиальды байланыста көптеген жарамды түстер бар, ал Борромея сақиналарында мұндай түстер жоқ, сондықтан олар эквивалентті бола алмайды. Борромея сақиналары кезектесіп байланысқан байланыс болып табылады, өйткені олардың дәстүрлі байланыс диаграммасында қиылыстар әр қисық бойымен кезекпен жоғарыдан және төменнен өтеді. Олар сондай-ақ алгебралық байланыс, яғни Конвей сфералары арқылы 2 түйінге жіктелуі мүмкін байланыс. Олар бір мезгілде кезектесіп және алгебралық болатын диаграммасы жоқ ең қарапайым кезектесіп алгебралық байланыс. Тейттің болжамынан Борромея сақиналарының қиылысу саны (олардың кез келген байланыс диаграммасындағы ең аз қиылыстар саны) 6-ға тең, бұл олардың кезектесіп диаграммасындағы қиылыстар санымен сәйкес келеді.
Сақина пішіні
Борромеялық сақиналар әдетте олардың сақиналары сызба жазықтығындағы шеңберлерге проекцияланады, бірақ үш өлшемді дөңгелек Борромеялық сақиналар мүмкін емес нысан: үш өлшемді кеңістіктегі шеңберлерден Борромеялық сақиналарды құру мүмкін емес. Жалпы алғанда, төрт өлшемді гиперболалық геометрияны қолдану арқылы ешбір Брунн байланысы дәл шеңберлі бола алмайтыны дәлелденді. Кәдімгі Борромеялық орналасудағы үш сақина үшін, бұл байланыстың схемасын қарастыру арқылы көрінеді. Егер екі шеңбердің қиылысу нүктелері бірін-бірі жанасады деп есептесек, онда олар жазықтықта немесе сферада жатады. Кез келген жағдайда үшінші шеңбер осы жазықтықты немесе сфераны төрт рет кесіп өтуі керек, бірақ оның ішінде жатпауы тиіс, бұл мүмкін емес. Хелге Тверберг шеңберлік жүзеге асырудың мүмкін еместігін дәлелдейтін тағы бір аргумент ретінде инверсивті геометрияны кез келген үш шеңберді түрлендіру үшін пайдаланады, осылайша олардың бірі түзуге айналады, бұл қалған екі шеңбердің онымен байланысып, Борромеялық сақиналарды құруына қатысты аргументтерді жеңілдетеді. Дегенмен, Борромеялық сақиналарды эллипс арқылы жүзеге асыруға болады. Бұларды кез келген қалағанша кішкентай эксцентриситетпен алуға болады: олардың пішіні шеңберге қаншалықты жақын болса да, егер олар толыққанды шеңбер болмаса, тиісті орналасқан жағдайда Борромеялық байланыстарды құра алады. Борромеялық сақиналарды үш өзара перпендикуляр алтын тіктөртбұрыштар арқылы жүзеге асыруды оның үш қарама-қарсы қабырғаларын қосу арқылы тұрақты икосаэдрдің ішінде табуға болады. Евклид кеңістігіндегі кез келген үш түйінсіз көпбұрышты, орынды масштабтаудан кейін, Борромеялық сақиналарды құру үшін біріктіруге болады. Егер барлық үш көпбұрыш жазық болса, масштабтау қажет емес. Атап айтқанда, Борромеялық сақиналарды үш үшбұрыш арқылы жүзеге асыруға болады, сондықтан оның әрбір контуры үшін қабырғалардың ең аз саны, Борромеялық сақиналардың «таяқ» саны тоғызға тең. Жалпы, Мэтью Кук кез келген үш түйінсіз жабық қисықтарды кеңістікте, барлық шеңберлерді емес, масштабтамай-ақ біріктіріп, Борромеялық сақиналарды құруға болады деп болжады. Джейсон Кантарелла мүмкін қарсы мысал келтіргеннен кейін, Хью Нельсон Ховардс бұл болжамды барлық шеңбер емес кез келген үш жазық қисықтарға қолдану үшін әлсіретті. Екінші жағынан, үш буынды Брунн байланыстары шексіз көп болғанымен, Борромеялық сақиналар үш дөңгелек қисықтан құрылатын жалғыз байланыс болып табылады.
Қалқанның ұзындығы
Торап теориясында түйіннің немесе сілтемелердің арқан ұзындығы – оны іске асыруға болатын ең қысқа иілгіш арқан ұзындығы (радиусы бір). Математикалық тұрғыдан мұндай іске асыру радиусы бірге иірілген, өзімен-өзі қиылыспайтын тегіс қисықпен сипатталады. Борромея сақиналарының ең төменгі арқан ұзындығы дәлелденбеген, бірақ қол жеткізілген ең кіші мән – 2 жапырақты жазық қисықтың үш көшірмесі арқылы іске асырылған. Бұл бұрынғы төменгі арқан ұзындығы үміткеріне ұқсас болғанымен, ол радиусы екіге тең төрт шеңберлік доғадан тұратын пішіннен сәл өзгешеленеді және эллипстік интегралдармен анықталған 42 тегіс бөліктен құралған. Ол бөлшекті шеңберлік іске асырудан бір пайыздың шамалы бөлігімен қысқа. Арқан ұзындығын азайту туралы болжамға сүйенген осы іске асыру Халықаралық математикалық одақтың логотипі үшін қолданылды. Оның ұзындығы , ал ұзындығы бойынша ең жақсы дәлелденген төменгі шек – . Арқан ұзындығының дискретті аналогы үшін, яғни тек бүтін сандар торының қабырғаларын пайдаланып ең қысқа бейнелеу Борромея сақиналары үшін дәл осы ұзындыққа тең. Бұл үш бүтін төртбұрышты пайдаланып бейнелеудің ұзындығы, алтын төртбұрыштармен бейнелеу дәстүрлі икосаэдрге жазылғандай, осы бейнелеу Джессеннің икосаэдріне жазылған.
For a discrete analogue of ropelength, the shortest representation using only edges of the integer lattice, the minimum length for the Borromean rings is exactly This is the length of a representation using three integer rectangles, inscribed in Jessen's icosahedron in the same way that the representation by golden rectangles is inscribed in the regular icosahedron.
Гиперболалық геометрия
Борромеялық сақиналар гиперболалық түйін болып табылады: Борромеялық сақиналарды қоршаған кеңістік (олардың түйін толықтырмасы) шекті көлемді толық гиперболалық метрикаға ие. Гиперболалық түйіндер қазір көптеп кездессе де, Борромеялық сақиналар гиперболалық екені дәлелденген ең алғашқы мысалдардың бірі болды, 1970 жылдары, және бұл түйін толықтырмасы 1991 жылы Геометрия орталығы түсірген "Түйін емес" видеосында маңызды мысал ретінде көрсетілді. Гиперболалық манифольдтарды канондық түрде гиперболалық полиэдрлердің (Эпштейн-Пеннер ыдырауы) біріктірулеріне жіктеуге болады, ал Борромеялық толықтыру үшін бұл ыдырау екі идеалды дұрыс октаэдрден тұрады. Борромеялық толықтырудың көлемі – Лобачевский функциясы және – Каталан тұрақтысы. Борромеялық сақиналардың толықтырмасы әмбебап, яғни кез келген жабық 3-манифольд осы кеңістік үстінде тармақталған жабын болып табылады.
Сандар теориясы
Арифметикалық топологияда түйіндер мен жай сандар арасындағы аналогия бар, онда жай сандардың арасындағы байланыстар қарастырылады. (13, 61, 937) жай сандарының үштігі 2 модуль бойынша байланысты (Редей символы -1), бірақ 2 модуль бойынша жұптық байланыссыз (Лежандр символдарының барлығы 1). Сондықтан бұл жай сандар "2 модуль бойынша тиісті Борромеан үштігі" немесе "2 модуль бойынша Борромеан жай сандары" деп аталады.
Физикалық орындалу
Маймылдың тұмсық түйіні, негізінен, Борромея сақиналарының үш өлшемді бейнесі болып табылады, бірақ көп жағдайда үш қабаттан тұрады. Суретші Джон Робинсон металл парақтан жасалған үш теңқабыршалы үшбұрыштардан тұратын туындылар жасады, олар Борромея сақиналарын құрастырып, валькуттың үш өлшемді нұсқасына ұқсайды. Жығылатын ағаш үштік үшін ең көп қолданылатын дизайн бір ағаштан қашалған үш бөліктен тұрады, әр бөлігі үштіктің аяқтары мен үстіңгі бөліктерін құрайтын екі ағаш бөлігінен тұрады және оларды ұзынша орталық тесікті айнала қоршайтын екі ағаш сегменті біріктіреді. Осы тесіктердің әрқайсысынан үшінші бөлік өтеді, осылайша үш бөлік Борромея сақиналарының үлгісімен байланысады. Осы формадағы үштіктердің Үндістан немесе Африка қолөнерінен шыққандығы айтылады. Химияда молекулалық Борромея сақиналары – бұл механикалық түрде байланысқан молекулалық құрылымдар болып табылатын Борромея сақиналарының молекулалық аналогтары. 1997 жылы биолог Ченгде Мао және Нью-Йорк университетінің әріптестері ДНК-дан сақиналар жиынтығын жасауға қол жеткізді. 2003 жылы UCLA-дағы химик Фрейзер Стоддарт және оның әріптестері 18 компоненттен бір қадамда сақиналар жиынтығын құру үшін координациялық химияны қолданды. Борромея сақиналарының құрылымдары тиолат лигандтарының беткі қабатымен қорғалған асыл металл кластерлерін сипаттау үшін пайдаланылған. Джузеппе Реснати және оның әріптестері галогендік байланыс арқылы өзін-өзі құрастыру жолымен Борромея желілерінің кітапханасын жасады. Үш тең емес циклдан тұратын молекулалық Борромея сақинасына қол жеткізу үшін Джей С. Сигел және оның әріптестері кезеңдеп синтезді ұсынды. Физикада Борромея сақиналарының кванттық-механикалық аналогы гало жағдайы немесе Эфимов жағдайы деп аталады, ол жұптарда байланыспаған үш байланысқан бөлшектен тұрады. Мұндай жағдайлардың болуын 1970 жылы физик Виталий Ефимов болжаған және 2006 жылдан бастап бірнеше тәжірибелер растаған. Бұл құбылыс Борромеялық ядромен тығыз байланысты, ол жұптарда тұрақсыз болатын үш бөлшектік топтан тұратын тұрақты атом ядросы. Кванттық ақпарат теориясындағы Борромея сақиналарының тағы бір аналогы Гринбергер–Хорн–Зейлингер күйіндегі үш кубиттердің өзара байланысын қамтиды.