4 өлшемді кеңістіктегі диск шешімімен байланысқан түйін
Slice knot
Төртінші өлшемдегі дисктермен байланысты математикалық түйіндер – слайс түйіндер. Топологиялық және тегіс слайс түйіндердің қасиеттері мен маңыздылығы.
A slice knot is a mathematical knot in 3 dimensional space that bounds an embedded disk in 4 dimensional space.
Анықтама
Топологиялық кесінді түйін немесе тегіс кесінді түйін деп аталады, егер ол 4 шардағы енген дисктің шекарасы болса, ол жергілікті тегіс немесе тегіс. Мұнда біз: 3 сфера төрт өлшемді шардың шекарасы болып табылады әр бір рет кесу түйін топологиялық кесу болып табылады, өйткені бір рет енген диск жергілікті тегіс. Әдетте, тегіс кесу түйіндері тек кесу деп аталады. Қиып түйіндерінің екі түрі де 3 және 4 өлшемді топологияда маңызды. Тіпті, тігіс түйіндерді жиі лента түйіндерінің түйін диаграммаларын қолдану арқылы суреттеледі және лента түйіндері емес тегіс тігіс түйіндер бар ма деген сұрақ ашық ("Тігіс лента болжамы").
A knot is said to be a topologically slice knot or a smoothly slice knot, if it is the boundary of an embedded disk in the 4 ball , which is locally flat or smooth, respectively. Here we use : the 3 sphere is the boundary of the four dimensional ball Every smoothly slice knot is topologically slice because a smoothly embedded disk is locally flat. Usually, smoothly slice knots are also just called slice. Both types of slice knots are important in 3 and 4 dimensional topology. Smoothly slice knots are often illustrated using knots diagrams of ribbon knots and it is an open question whether there are any smoothly slice knots which are not ribbon knots (′Slice ribbon conjecture′).
Конус құрылысы
Жергілікті тегіс немесе тегіс жағдай анықтамада маңызды: әрбір түйін үшін біз түйіннің үстінен конусты құрастыра аламыз, ол 4 шардағы диск болып табылады, бірақ ол жергілікті тегіс немесе тегіс емес (бұл қарапайым түйін үшін жұмыс істейді). Оң жақтағы суреттегі дисктің 4 кеңістікте өз-өзіне қиылысулары жоқ екенін ескеріңіз. Бұл тек үш өлшемді кеңістікке проекциялану кезінде ғана пайда болады. Сондықтан диск барлық нүктеде "дөре" орналасады, бірақ сингулярлық нүктеде емес (онда ол жергілікті түрде тегіс емес).
The conditions locally flat or smooth are essential in the definition: For every knot we can construct the cone over the knot which is a disk in the 4 ball with the required property with the exception that it is not locally flat or smooth at the singularity (it works for the trivial knot, though). Note, that the disk in the illustration on the right does not have self intersections in 4 space. These only occur in the projection to three dimensional space. Therefore, the disk is ′correctly′ embedded at every point but not at the singularity (it is not locally flat there).
Кесінді түйіндер мен түйіннің конкорданстық тобы
Екі бағдарланған түйін, егер қосылған сома кесінді болса, конкордантты деп аталады. Бұрынғыдай, топологиялық және тегіс конкордантты ажыратамыз. Бұл арқылы біз айнадағы бейнеге қосымша бағыт кері бұрылатын жерді көрсетеміз. ′Конкордент′ қатынасы рефлексивті, өйткені ол әрбір түйін үшін кесінді болып табылады. Оның транзитивті екенін де көрсетуге болады: егер конкордент болса және конкордент болса, онда конкордент болады. Теңдестік кластары түйіндердің байланысқан қосындысымен бірге операция ретінде абельдік топты құрайды, оны (топологиялық немесе тегіс) түйіннің келісім тобы деп атайды. Бұл топтағы бейтарап элемент - кесінді түйіндер жиынтығы (тиісінше топологиялық немесе тегіс).
Two oriented knots are said to be concordant, if the connected sum is slice. In the same way as before, we distinguish topologically and smoothly concordant. With we denote the mirror image of where in addition the orientation is reversed. The relationship ′concordant′ is reflexive because is slice for every knot It is also possible to show that it is transitive: if is concordant to and is concordant to then is concordant to Since the relation is also symmetric, it is an equivalence relation. The equivalence classes together with the connected sum of knots as operation then form an abelian group which is called the (topological or smooth) knot concordance group. The neutral element in this group is the set of slice knots (topological or smooth, respectively).
Мысалдар
Әрбір таспа түйіні тегіс кесінді түйіні болып табылады, себебі – таспа ерекшеліктерін қоспағанда – түйін ендірілген дискіні (3 кеңістікте) шектейді. Таспа ерекшеліктерін кішкентай аймақта 4 кеңістікке деформациялауға болады, сонда дискі ендіріледі. 21 тривиальды емес кесінді жай түйіні бар, олардың қиылыс саны мыналар: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , және . Осы қиылыс санына дейін топологиялық кесінді түйіндерінің тегіс кесінді емес түрлері жоқ. Бірақ 11-ші қиылыстан бастап мұндай мысал бар: Конвей түйіні (Джон Хортон Конвейдің құрметіне аталған) – топологиялық, бірақ тегіс емес кесінді түйін. Екінші жағынан, Конвей түйінінің "мутанты" деп аталатын Киношита-Терасака түйіні тегіс кесіледі. Бұрау түйіндері, тривиальді түйін мен Стивдор түйінінен басқа, кесінді емес. Қиылыс саны барлық топологиялық және тегіс кесінді түйіндер белгілі. 12-ші қиылысқа дейінгі композиттік кесінді түйіндері, және формасындағылардан басқа, екі қызықты түйін – және болып табылады.
Every ribbon knot is a smoothly slice knot because—with the exception of the ribbon singularities—the knot already bounds an embedded disk (in 3 space). The ribbon singularities may be deformed in a small neighbourhood into 4 space so that the disk is embedded. There are 21 non trivial slice prime knots with crossing number These are , , , , , , , , , , , , , , , , , , , and Up to this crossing number there are no topologically slice knots which are not smoothly slice. Starting with crossing number 11 there is such an example, however: The Conway knot (named after John Horton Conway) is a topologically but not smoothly slice knot. On the other hand, the Kinoshita Terasaka knot, a so called ′mutant′ of the Conway knot, is smoothly slice. Twist knots are, except for the trivial knot and the Stevedore knot , not slice. All topologically and smoothly slice knots with crossing number are known. Composite slice knots up to crossing number 12 are, besides those of the form and , the two more interesting knots and .
Конкорданстық қатынастың геометриялық сипаттамасы
Жоғарыда көрсетілген кесінді түйіндерді пайдаланатын конкорданстың анықтамасынан басқа, екінші эквивалентті анықтама да бар. Екі бағдарланған түйіндер және конкордантты болады, егер олар (жергілікті тегіс немесе тегіс) цилиндрдің шекарасы болса (төрт өлшемді кеңістікте). Екі түйіннің бағыты цилиндрдің бағытына сәйкес болуы керек, бұл үшінші суретте көрсетілген. Цилиндрдің шекарасы – әр түрлі бағытталған екі түйін, сондықтан екі айналмалы үшбұрыш цилиндрдің шекарасы ретінде көрсетілген. Екі түйінді цилиндрден жолақты кесіп қосу арқылы дискіге қол жеткізіледі, бұл барлық түйіндер үшін қосылған соманың кесінді екенін көрсетеді. Екі анықтамада да түйін кесінді болып табылады, егер және тек қана егер ол тривиальды түйінге конкордантты болса. Бұл осы мақаланың жоғары жағындағы бірінші суретте де көрсетілуі мүмкін: егер сол жақтағы төменгі жақтағы жергілікті минимумдағы кішкентай дискі кесілсе, онда осы жердегі беттің шекарасы тривиальды түйін болып табылады, ал беті – цилиндр. Цилиндрдің екінші жағында кесінді түйін орналасқан. Егер дискі (немесе цилиндр) тегіс орналасса, оны Морзе позициясы деп аталатын жағдайға сәл деформациялауға болады. Бұл пайдалы, себебі радиалдық функцияға қатысты сындық нүктелер геометриялық мағынаны білдіреді. Седлолық нүктелерде тривиальды компоненттер қосылады немесе жойылады (жолақтың қозғалысы, сондай-ақ синтез және бөліну деп аталады). Кесінді түйіндер үшін осы жолақтың кез келген саны мүмкін, ал лента түйіндері үшін тек синтездер ғана мүмкін, ал бөлінуге рұқсат етілмейді. Оң жақтағы суретте конкорданстың геометриялық сипаттамасы 90° бұрылады және r параметрі t деп қайта аталады. Бұл атау беттің 'фильм' сияқты уақыт бойынша түсіндірілуіне жақсы сәйкес келеді.
As an alternative to the above definition of concordance using slice knots there is also a second equivalent definition. Two oriented knots and are concordant if they are the boundary of a (locally flat or smooth) cylinder (in the 4 dimensional space ). The orientations of the two knots have to be consistent to the cylinder's orientation, which is illustrated in the third figure. The boundary of are two with different orientations and therefore two mirrored trefoils are shown as boundary of the cylinder. Connecting the two knots by cutting out a strip from the cylinder yields a disk, showing that for all knots the connected sum is slice. In both definitions a knot is slice if and only if it is concordant to the trivial knot. This can be illustrated also with the first figure at the top of this article: If a small disk at the local minimum on the bottom left is cut out then the boundary of the surface at this place is a trivial knot and the surface is a cylinder. At the other end of the cylinder we have a slice knot. If the disk (or cylinder) is smoothly embedded it can be slightly deformed to a so called Morse position. This is useful because the critical points with respect to the radial function r carry geometrical meaning. At saddle points, trivial components are added or destroyed (band moves, also called fusion and fission). For slice knots any number of these band moves are possible, whereas for ribbon knots only fusions may occur and fissions are not allowed. In the illustration on the right the geometrical description of the concordance is rotated by 90° and the parameter r is renamed to t. This name fits well to a time interpretation of a surface ′movie′.
4-жігіт
Кесу түйіндері үшін ұқсас анықтаманы жоғары тұқымды беттер үшін де қолдануға болады. Сондықтан түйіннің 4-туысы (сонымен қатар 'қима туысы' деп аталады) – түйіннің шекарасы болатын 4-өлшемді кеңістіктегі енгізілген беттің ең кіші туысы ретінде анықталады. Бұрынғысын сияқты, топологиялық және тегіс 4-туысты ажыратамыз. 4-туысы 0-ге тең түйіндер қима түйіндер болып табылады, себебі дискіде, ең қарапайым бетте, 0-туыс болады. 4-туыс әрқашан түйіннің туысына тең немесе кіші болады, өйткені бұл өзгермейтін шама үш өлшемді кеңістікте орналасқан Сейферт беттерін пайдаланып анықталады. Топологиялық және тегіс 4-туысы әртүрлі мәндерге ие түйіндердің мысалдары келесі кестеде келтірілген. Конвей түйіні 11n34, жоғарыда айтылғандай, топологиялық бірақ тегіс емес қима түйіні үшін түйін кестелеріндегі алғашқы мысал. Кестедегі мәндерге сүйенсек, тегіс және топологиялық 4-туыс тең болмағанда әрқашан 1-ге ерекшеленеді деп қорытынды жасауға болады. Алайда, бұл жағдай емес, және айырмашылық кез келген деңгейде үлкен болуы мүмкін. Бірақ (2017 жылғы мәлімет бойынша), айырмашылығы > 1 болатын кезектесетін түйіндер бар-жоғы белгісіз. 4-туыс (тегіс) 4 2 4 3 3 1 4-туыс (топологиялық) 3 1 3 2 2 0
An analogous definition as for slice knots may be done with surfaces of larger genus. The 4 genus (also called ′slice genus′) of a knot is therefore defined as the smallest genus of an embedded surface in 4 space of which the knot is the boundary. As before, we distinguish the topological and smooth 4 genus. Knots with 4 genus 0 are slice knots because a disk, the simplest surface, has genus 0. The 4 genus is always smaller or equal to the knot's genus because this invariant is defined using Seifert surfaces which are embedded already in three dimensional space. Examples for knots with different values for their topological and smooth 4 genus are listed in the following table. The Conway knot 11n34 is, as already mentioned, the first example in the knot tables for a topologically but not smoothly slice knot. Judging from the values in the table we could conclude that the smooth and the topological 4 genus always differ by 1, when they are not equal. This is not the case, however, and the difference can be arbitrarily large. It is not known, though, (as of 2017), whether there are alternating knots with a difference > 1. 4 genus (smooth) 4 2 4 3 3 1 4 genus (top.) 3 1 3 2 2 0