Косы: группа, которую плетут

← Назад к материалам
Университет 23 Залы Теория групп Алгебра Узлы

Дидактические цели

Лаборатория по теории групп для первого курса. Косы — это группа, которую можно потрогать: их плетут из перекрёстков, складывают, ставя одну под другой, и распутывают зеркальным отражением. Группа бесконечна, неабелева и задаётся соотношениями всего двух типов, поэтому на новом примере повторяется почти весь курс: образующие, копредставления, гомоморфизмы, ядра, факторгруппы, сопряжение, центр, абелианизация. В конце, замыкая косы, получаем узлы, а инварианты, которые их различают, оказываются гомоморфизмами.

В каждом зале от четырёх до восьми заданий, одно за другим. У нитей постоянные неоновые цвета, поэтому видно, куда приходит каждая, без лишних объяснений.

Чему учатся

  • Читать и записывать косы как слова из образующих σᵢ и σᵢ⁻¹, переходить от рисунка к слову и обратно.
  • Групповая операция: сложение двух кос (одна под другой), нейтральный элемент, обратная коса как зеркальное отражение и некоммутативность.
  • Копредставление Артина: далёкие перекрёстки коммутируют, и соотношение кос σᵢσᵢ₊₁σᵢ = σᵢ₊₁σᵢσᵢ₊₁. Задавать гомоморфизмы, проверяя соотношения.
  • Упрощать слова этими движениями и решать, тривиальна ли коса (проблема слов), с помощью действия Артина на свободной группе и нормальной формы Гарсайда.
  • Строение Bₙ: гомоморфизм на Sₙ и его ядро (чистые косы), абелианизация ℤ (подсчёт перекрёстков со знаком) и центр, порождённый полным оборотом Δ².
  • Замыкать косу, получая узел или зацепление, считать компоненты, распутывать движениями Рейдемейстера и узнавать, когда две косы дают одно зацепление (Марков).
  • Различать узлы инвариантами: коэффициентом зацепления, раскрасками в три цвета и полиномом Джонса.

Ключевые математические идеи

  • Хватает трёх движений. Любая деформация косы — это цепочка шагов трёх видов: убрать пару σσ⁻¹, переставить далёкие перекрёстки и соотношение кос (теорема Артина).
  • Кос бесконечно много, но их можно сравнивать. Действие на свободной группе точное, а нормальная форма Гарсайда даёт единственную запись: так компьютер решает, одна ли это коса.
  • Забыть, какая нить сверху, — это гомоморфизм. π: Bₙ → Sₙ сюръективен; его ядро Pₙ бесконечно, поэтому Bₙ гораздо больше Sₙ.
  • Все σᵢ сопряжены, поэтому любой гомоморфизм в абелеву группу переводит их в один элемент, и абелианизация равна ℤ.
  • Инвариант — это то, что не меняется при движениях Рейдемейстера. Раскраски в три цвета — это гомоморфизмы группы узла в диэдральную группу Δ₃. У трилистника их 9, у тривиального узла 3, значит, это разные узлы.

Источники

Копредставление — по Э. Артину, «Theorie der Zöpfe» (1925) и «Theory of braids» (1947). Нормальная форма — Ф. А. Гарсайда (1969). В целом — К. Кассель и В. Тураев, Braid Groups (Springer, GTM 247, 2008). Также теоремы Александера (1923) и Маркова (1935), раскраски Р. Фокса и скобка Л. Кауфмана (1987) для полинома В. Джонса (1985).

Заметки для урока

  • «Та же коса?» хорошо смотрится на проекторе: пусть класс проголосует до того, как увидит анимацию деформации.
  • «Сумматор кос» — удобный момент повторить аксиомы группы на предмете, который можно потрогать (помогают верёвочки или шнурки на столе).
  • «Полный оборот» легче понять с трюком с ремнём: поверните один конец ремня на полный оборот и посмотрите, как нити закручиваются, по-настоящему не пересекаясь.
  • «Три цвета» — первое доказательство того, что узел нельзя развязать; здесь стоит сделать паузу.

Содержание по залам

Зал 1 · Сплети свою первую косу

Где сегодня используется группа кос (топологические квантовые вычисления, криптография, ДНК) и немного истории (Гурвиц, Артин). Определение косы и перекрёстков σᵢ и σᵢ⁻¹. Четыре косы копируются клавиатурой перекрёстков, и выясняется, что кос бесконечно много.

Задания для ученика

  • Скопировать четыре нарисованные косы.
  • Решить, сколько существует кос из 3 нитей.

Зал 2 · Та же коса?

Шесть пар кос. Если коса одна и та же, показывается анимированная деформация (перестановка, удаление пары, соотношение кос); если нет — инвариант, который это запрещает: куда приходит каждый цвет или сумма степеней.

Задания для ученика

  • Решить для шести пар, одна ли это коса.

Зал 3 · От слова к рисунку

От слова к рисунку (миниатюры с ловушками: обратная коса, обратный порядок, зеркало, один знак изменён) и от рисунка к слову.

Задания для ученика

  • Выбрать рисунок для трёх слов.
  • Записать слово для трёх рисунков.

Зал 4 · Куда приходит каждый цвет?

Гомоморфизм π: Bₙ → Sₙ. Куда приходит нить, перестановка в циклах, π(ab) = π(a)π(b), сюръективность и ядро (σ₁²) — чистые косы.

Задания для ученика

  • Проследить две нити.
  • Записать перестановку в циклах.
  • Составить композицию двух перестановок кос.
  • Найти косу из ядра.

Зал 5 · Сумматор кос

Сумматор ставит одну косу под другой с анимацией. Повторение аксиом группы: какой рисунок — A·B, равно ли A·B и B·A, нейтральный элемент, ассоциативность и уравнение σ₁σ₂·B = σ₂σ₁σ₂.

Задания для ученика

  • Узнать две суммы.
  • Решить, коммутативно ли сложение.
  • Решить уравнение в B₃.

Зал 6 · Коса, которая распутывает

Обратная коса — зеркальное отражение сверху вниз; сложение A и A⁻¹ распутывается, как застёжка-молния. (AB)⁻¹ = B⁻¹A⁻¹ и бесконечный порядок σ₁.

Задания для ученика

  • Записать три обратные косы.
  • Выбрать (AB)⁻¹.
  • Определить порядок σ₁.

Зал 7 · Далёкие перекрёстки

σᵢσⱼ = σⱼσᵢ при |i − j| ≥ 2. Головоломки с перестановкой далёких перекрёстков до целевого слова и вопросы о том, какие образующие коммутируют.

Задания для ученика

  • Решить две головоломки с перестановками.
  • Решить три вопроса о коммутировании.
  • Увидеть, что ⟨σ₁, σ₃⟩ абелева.

Зал 8 · Соотношение кос

σᵢσᵢ₊₁σᵢ = σᵢ₊₁σᵢσᵢ₊₁ в анимации, варианты с обратными и сопряжение: все σᵢ сопряжены.

Задания для ученика

  • Решить две головоломки с R3.
  • Найти другое слово для σ₂σ₃σ₂.
  • Найти c, при котором cσ₁c⁻¹ = σ₂.

Зал 9 · Косы рядом

A и B ставятся рядом: Bₘ × Bₙ → Bₘ₊ₙ, индексы B сдвигаются. Это инъективный гомоморфизм.

Задания для ученика

  • Записать два слова A ⊕ B.
  • Узнать рисунок.
  • Решить три вопроса о свойствах.

Зал 10 · Копредставление Артина

Теорема Артина и то, как гомоморфизм задаётся из копредставления проверкой соотношений, в S₃, S₄ и ℤ.

Задания для ученика

  • Посчитать соотношения B₄ и B₅.
  • Решить, задают ли гомоморфизм четыре сопоставления.
  • Узнать B₂.

Зал 11 · Убираем пары

Почему важно решать, равны ли две косы (проблема слов). Головоломки только с R2 и единственность свободного сокращения.

Задания для ученика

  • Решить четыре головоломки с R2.
  • Решить, важен ли порядок.
  • Посчитать две длины после сокращения.

Зал 12 · Упроститель

Пять головоломок с R2, перестановками и R3 до кратчайшего слова, в сравнении с рекордом упростителя, решение которого можно посмотреть.

Задания для ученика

  • Решить пять головоломок на упрощение.

Зал 13 · Тривиальна ли коса?

Действие Артина на свободной группе с калькулятором, который обновляет образы x₁, …, xₙ. Действие точное, поэтому оно решает, тривиальна ли коса.

Задания для ученика

  • Вычислить два образа.
  • Решить, тривиальны ли три косы.
  • Понять, что значит точное действие.

Зал 14 · Полуоборот и нормальная форма

Полуоборот Δ, простые косы и нормальная форма Гарсайда Δᵏ·A₁⋯A_r, нарисованная в рамках.

Задания для ученика

  • Узнавать простые косы.
  • Посчитать простые косы B₃ и B₄.
  • Вычислить |Δ₅| и Δσ₁Δ⁻¹.
  • Сравнить две пары слов с помощью нормальной формы.

Зал 15 · Чистые косы

Pₙ = ker π, нормальная подгруппа индекса n!. Образующие Aᵢⱼ, P₂ ≅ ℤ и смежные классы как перестановки.

Задания для ученика

  • Узнавать чистые косы.
  • Вычислить [B₄ : P₄].
  • Выбрать косу из того же смежного класса.
  • Определить, какие нити зацепляет Aᵢⱼ.

Зал 16 · Считаем перекрёстки со знаком

Сумма степеней — гомоморфизм в ℤ; так как все σᵢ сопряжены, абелианизация равна ℤ, а коммутант — её ядро.

Задания для ученика

  • Посчитать две суммы степеней.
  • Решить вопросы о гомоморфизмах в ℤ и ℤ₆.
  • Решить, произведение ли коммутаторов σ₁σ₂⁻¹.

Зал 17 · Полный оборот

3D-сцена: поворот нижнего диска на 360° сплетает полный оборот Δ². Δ² центральна, Δ не коммутирует с σ₁, центр Bₙ равен ⟨Δ²⟩.

Задания для ученика

  • Вычислить длину и сумму степеней Δ².
  • Решить, чистая ли Δ² и центральна ли Δ.
  • Выбрать центральную косу.

Зал 18 · Замыкаем косу

Почему важны узлы (ДНК, белки, физика) и их история. Замыкание косы даёт узел или зацепление; компоненты — это циклы перестановки. Теорема Александера.

Задания для ученика

  • Посчитать компоненты трёх замыканий.
  • Выбрать то, что является узлом.
  • Сопоставить трилистник, Хопфа и восьмёрку с их косами.

Зал 19 · Распутай узел

Движения Рейдемейстера на замкнутой косе с анимированными демонстрациями. Пять узлов, которые распутываются движениями R1, R2, R3, перестановками и поворотом, и трилистник, который не распутывается.

Задания для ученика

  • Распутать пять диаграмм.
  • Решить, можно ли распутать трилистник.

Зал 20 · Движения Маркова

Две косы дают одно зацепление тогда и только тогда, когда одну можно перевести в другую сопряжениями и стабилизациями. Пары различаются по числу компонент и полиному Джонса.

Задания для ученика

  • Решить для пяти пар.
  • Стабилизировать σ₁³ до σ₁³σ₂.
  • Узнать поворот как сопряжение.

Зал 21 · Коэффициент зацепления

lk — половина суммы знаков перекрёстков между двумя компонентами. У зацепления Уайтхеда lk = 0, но оно всё равно зацеплено.

Задания для ученика

  • Посчитать четыре коэффициента зацепления.
  • Решить, тривиально ли зацепление Уайтхеда.
  • Объяснить, почему lk — инвариант.

Зал 22 · Три цвета

Зачем нужны инварианты. Раскраски в три цвета как гомоморфизмы группы узла в Δ₃: трилистник и 6₁ раскрашиваются, восьмёрка — нет; у трилистника 9 раскрасок, у тривиального узла 3, значит, они различны. Раскраски восьмёрки в 5 цветов.

Задания для ученика

  • Раскрасить трилистник и 6₁.
  • Решить, раскрашивается ли восьмёрка.
  • Посчитать раскраски трилистника и тривиального узла.

Зал 23 · Полином Джонса

Скобка Кауфмана с разобранным примером, пошаговое вычисление для зацепления Хопфа, хиральность трилистника и финальное задание: узнать три замаскированных узла с помощью калькулятора инвариантов.

Задания для ученика

  • Пошагово вычислить скобку зацепления Хопфа.
  • Сравнить трилистник с его зеркальным отражением.
  • Определить три узла.

Залы для показа

Самые наглядные для показа и обсуждения в классе.

★
Зал 2 · Та же коса? — Голосование до просмотра анимации вызывает обсуждение того, что значит «та же» коса.
★
Зал 5 · Сумматор кос — Аксиомы группы на наглядном объекте: склеить две косы и убедиться, что они не коммутируют.
★
Зал 17 · Полный оборот — 3D-сцена с вращающимся диском сразу понятна на проекторе, вместе с трюком с ремнём.
★
Зал 22 · Три цвета — Первое доказательство того, что узел нельзя развязать, через гомоморфизмы.