纽结理论

彭小玉

纽结理论是数学学科代数拓扑的一个分支，按照数学上的术语来说，是研究如何把若干个圆环嵌入到三维实欧氏空间中去的数学分支。纽结理论的特别之处是它研究的对象必须是三维空间中的曲线。在两维空间中，由于没有足够的维数，我们不可能把让一根曲线自己和自己缠绕在一起打成结；而在四维或以上的空间中，由于维数太多，无论怎么样的纽结都能够很方便地被解开成没有结的曲线。
+ i7 j* V" D' O* u. Y1 t0 P     数学上的定义：纽结是三维空间中的不与自己相交的封闭曲线，或者说，三维空间中的与圆周同胚的图形。两个纽结等价是指存在三维空间本身的一个变形，把一个变成另一个。与平面上的圆周等价的纽结称为平凡纽结（因为把未打结的绳子两头捻合得到的圈可以放在平面上）。同时这也是绳结魔术的数学道理。
      如果不是考虑一条闭曲线,而是同时考虑h条闭曲线，要求它们既不自交也不互交,那么就得到h圈链环的概念。等价性的定义也与纽结的相仿。图3中是两个非平凡的（即不等价于互相分离的圆周的）双圈链环，它们彼此也不等价。
纽结理论的基本问题是:怎样区分不等价的纽结(或链环)？它是三维拓扑学的一部分,
' V5 m9 r2 |  G/ @: x/ n" K      因为曲线打结与链锁是三维空间所特有的现象（平面上、四维以上的空间里曲线都不会打结），而且它所研究的是闭曲线在三维空间中安放方式的差异，并不是闭曲线本身（它们都与圆周同胚，因而彼此都同胚）。
* u' e( j! W) }/ w1 r6 U: iC.F.高斯在1833年研究电动力学时引进了闭曲线之间的环绕数，这是纽结理论的基本工具之一。1880年左右出现了最早的纽结表。纽结理论后来随着代数拓扑学的发展而前进，也反过来刺激了代数拓扑学的发展。1910年M.W.德恩引进纽结的群的概念，1928年J.W.亚历山大引进了纽结的多项式这个更易处理的不变量，都是重要的进步。纽结理论是拓扑学的一个引人入胜的领域，一方面因为它研究的是看得见摸得着的丰富多彩的几何现象，有着许多问题等待人们去解决，另一方面也因为它相当奥妙,需要动用各种各样的方法,成了诸如群论、矩阵论、数论、代数几何、微分几何等众多学科与拓扑学交汇的地方。
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目前，已经有了能够判断纽结的等价性的算法，可以造出一台机器，输入任意两个纽结的投影图，它都能判定它们是否等价。然而这只解决了理论上的可判定性，还不切实可行。在实际计算方面，已发明了一些新的多项式不变量，它们比亚历山大多项式包含更多的信息。

由于纽结、链环与三维、四维流形的构造和分类有深刻的联系，与奇点理论也密切相关，也由于高维纽结（n维球面在n+2维空间中安放方式）的研究的进展，纽结理论近年来引起更多人的兴趣。它也被应用于化学中大分子的空间结构的研究，例如遗传物质DNA的研究。
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20世纪八十年代，jones发明了纽结多项式，为纽结理论的发展做出了进一步的推动。
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