원환면 연환
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1. 개요
원환면 연환은 3차원 공간에서 원환면을 감는 닫힌 곡선으로, 두 정수 p와 q에 의해 정의된다. p와 q가 서로소이면 원환면 매듭이 되며, 그렇지 않으면 여러 구성 요소가 있는 원환면 고리 매듭이 된다. 원환면 매듭은 z축에 p번, 원환면 중심에 있는 원에 q번 감기는 방식으로 표현된다. 원환면 연환은 교차수, 종수, 땋임 지수, 알렉산더 다항식, 존스 다항식 등의 수학적 성질을 가지며, 복소수 초곡면 특이점과의 관계를 통해 정의될 수 있다. 또한, 원환면 매듭은 꼬인 원기둥, 땋임, 평활화, 좌표 등을 이용하여 다양한 방식으로 정의할 수 있다. (2,3)형 원환면 매듭인 클로버 매듭, (3,2)형 원환면 매듭인 세잎 매듭 등이 예시로 존재한다.
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원환면 연환 |
---|
2. 정의
0이 아닌 두 정수 가 주어졌을 때, '''-원환면 연환'''은 다음과 같은 3차원 곡선들의 집합으로 주어지는 연환이다.
:
:
:
이 곡선들은 원환면
:
위에 속하는 연환을 정의한다.
즉, 이는 원환면을 다음과 같이 감는다.
- z축에 대하여, 번 감기
- 원환면의 중심에 있는 원에 대하여, 번 감기
매듭인 원환면 연환을 '''원환면 매듭'''(torus knot영어)이라고 한다.
(''p'',''q'')-토러스 매듭은 토러스 내부의 원을 ''q''번 감고, 회전 대칭 축을 ''p''번 감는다. ''p''와 ''q''가 서로소가 아니면, 여러 구성 요소가 있는 토러스 링크가 있다.
(''p'',''q'')-토러스 매듭은 다음과 같은 매개변수화로 주어질 수 있다.
:
여기서 이고 이다. 이것은 으로 주어진 토러스의 표면에 있다( 원통 좌표계에서).

''p'' , ''q''를 서로소이거나 한쪽이 0이고 다른 쪽이 ±1인 정수라고 할 때, 원환면 매듭의 표준형으로 (''p'' , ''q'')형 원환면 매듭이라는 것을 정의할 수 있다.
3차원 유클리드 공간 '''R'''3 또는 3차원 구면 ''S''3 내의 자명한 원환면 (중심 곡선이 자명한 매듭이 되어 있는 원환면)을 생각하고, 메리디안과 론지튜드에 방향을 부여해 둔다 (중심 곡선, 메리디안, 론지튜드의 정의는 원환면#도넛형 참조).
이때, 원환면상의 어떤 한 점에서 출발하여, 원환면상에서 메리디안 방향으로 ''p'' 회, 론지튜드 방향으로 ''q'' 회만 돌아서 원래의 점으로 되돌아오는 닫힌 곡선을 (''p'' , ''q'')형 '''원환면 매듭'''이라고 한다[17]. 단, ''p'' , ''q''가 음수일 때는, 처음에 방향을 정한 메리디안·론지튜드와는 반대 방향으로 돌도록 한다. 만약 방향을 붙여서 원환면 매듭을 생각하는 경우에는, 이 때 점을 이동시킨 방향을 따라 방향을 붙이도록 한다.
(''p'' , ''q'')형 원환면 매듭은, 그 원환면의 메리디안과 |''q''|개의 교점을 가지고, 론지튜드와 |''p''|개의 교점을 가지게 된다. 또한, 특히 ''q'' = 2인 원환면 매듭 (고리 매듭)은, '''초등 원환면 매듭''' (고리 매듭)이라고 한다[18].
(''p'' , ''q'')형 원환면 매듭·고리 매듭에는, 그 외에도 다음과 같은 정의 방법이 있다.
''p'' , ''q''가 서로소가 아닌 경우에는, 그들의 최대공약수 ''k''와 서로소인 정수 ''p′'' , ''q′''를 사용하여, ''p = k p′'' , ''q = k q′''로 나타낼 수 있으므로, 시작점을 ''k''개 취해서 각각 메리디안 방향으로 ''p′'' 회, 론지튜드 방향으로 ''q′'' 회만 돌아서 원래 점으로 되돌아오는 닫힌 곡선을 교차하지 않도록 그리면, 그것들은 원환면 위에서의 ''k'' 성분 고리 매듭이 된다. 이것을 (''p'' , ''q'')형 '''원환면 고리 매듭'''이라고 하며, 각 성분은 (''p′'' , ''q′'')형 원환면 매듭이 된다.
2. 1. 기하학적 표현
토러스 매듭은 위상 동치인 여러 가지 방식으로 기하학적으로 렌더링될 수 있지만, 기하학적으로는 다르게 나타난다.[1][2] (''p'',''q'')-토러스 매듭은 토러스 내부의 원을 ''q''번 감고, 회전 대칭 축을 ''p''번 감는 방식으로 표현된다. 매듭의 가닥이 토러스를 감는 방향은 다른 규칙의 적용을 받는데, 가장 일반적인 것은 ''p q > 0''일 때 가닥이 오른손 나사를 형성하도록 하는 것이다.[3][4][5](''p'',''q'')-토러스 매듭은 다음과 같은 매개변수화로 주어질 수 있다.
:
여기서 이고 이다. 이것은 으로 주어진 토러스의 표면에 있다. ( 원통 좌표계에서).
다른 매개변수화도 가능한데, 이는 매듭이 연속적인 변형까지 정의되기 때문이다. 예를 들어 (2,3)-토러스 매듭은 위에서 설명한 ''x'' 및 ''y''의 매개변수화에서 각각 와 를 빼서 얻을 수 있다.
''p'', ''q''가 서로소라고 할 때, 3차원 유클리드 공간 '''R'''3에서 원통 좌표(''r'', θ, ''z'')를 사용하면, 매개변수 ''t'' (0 ≦ ''t'' ≦ 1)를 사용하여
{{Indent|
}}로 표시되는 곡선을 (''p'', ''q'')형 토러스 매듭이라고 한다[22]。
3. 성질
-원환면 연환의 연결 성분의 수는
:
이다. 즉, 이것이 원환면 매듭이 될 필요 충분 조건은 와 가 서로소인 것이다.
-원환면 연환이 자명한 매듭일 필요 충분 조건은 다음과 같다.
:이거나 이다. 즉, 이다.
-원환면 연환과 -원환면 연환이 동치일 필요 충분 조건은 다음과 같다.
:이거나, 또는
4. 다른 정의 방법
4. 1. 꼬인 원기둥
원기둥을 비틀고 구부려 토러스를 만들고, 측면에 그려진 선분을 이어 매듭을 만드는 방식으로 원환면 매듭을 정의할 수 있다.[19]원기둥의 밑면 원주를 ''q'' 등분하는 ''q''개의 점을 잡고, 각 점에서 측면을 따라 수직으로 위로 선분을 그어 윗면 원주와 만나는 지점에 점을 찍는다 (총 2''q''개의 점). 이 원기둥을 밑면과 윗면의 중심을 잇는 선분을 축으로 2π''p''/''q'' (rad)만큼 비튼다. 그러면 밑면 원주에서 윗면 원주로 수직으로 그었던 선분은 원기둥 측면을 2π''p''/''q''(rad)만큼 회전하며 밑면과 윗면의 원주를 잇게 된다.
이 상태에서 원기둥을 구부려 밑면과 윗면의 ''q''개 점끼리 겹쳐지도록 붙여 동일시하면, 원기둥은 토러스가 된다 (단, 토러스의 중심 곡선이 자명한 매듭이 되도록 한다). 앞서 그은 선분은 양 끝점이 이어지면서 토러스 상에서 매듭이 되는데, 이를 (''p'', ''q'')형 토러스 매듭이라고 정의한다.[19]
4. 2. 땋임
땋임을 이용하여 원환면 매듭을 정의할 수 있다.[20] 다음과 같은 매듭으로 표현되는 꼬임으로, (''p'', ''q'')형 토러스 매듭(꼬임)을 정의할 수 있다.:
이 꼬임으로 표현되는 ''p''개의 끈은, 첫 번째 끈이 다른 끈의 앞을 지나 ''p''번째에 연결되고, 다른 끈은 앞서 언급한 끈의 뒤를 지나 번호가 하나 작은 끈으로 연결되는 교차 패턴을 ''q''번 반복하는 것으로, 앞쪽을 지나는 끈이 토러스의 위쪽에 붙어 있고, 뒤쪽을 지나는 끈이 토러스의 아래쪽에 붙어 있다고 생각하면, (''p'', ''q'')형 토러스 매듭(꼬임)과 동일하다.[20]
4. 3. 평활화
표준적인 원환면에 방향을 지정한 자오선과 경선을 준비한다.[21] 원환면 위에 자오선과 평행한 |''p''| 개의 닫힌 곡선을 그리고, ''p''가 양수이면 자오선과 같은 방향을, 음수이면 반대 방향을 부여한다.[21] 마찬가지로, 경선과 평행한 |''q''| 개의 닫힌 곡선을 그리고, ''q''가 양수이면 경선과 같은 방향을, 음수이면 반대 방향을 부여한다.[21] 이렇게 하면 원환면 위에 |''p''| + |''q''| 개의 유향 닫힌 곡선이 있고, |''pq''| 개의 교점이 생긴다.[21] 이 교점들은 과 같은 형태를 띠고 있으므로, 이를 와 같은 형태로 바꿔 교점을 모두 없앤다.[21] 이 조작을 '''평활화'''(smoothing)라고 한다.[21] 평활화를 수행한 후의 곡선은 매듭이 되므로, 이를 (''p'', ''q'')형 원환 매듭으로 정의한다.[21]4. 4. 좌표
''p'', ''q''가 서로소일 때, 3차원 유클리드 공간 '''R'''3에서 원통 좌표(''r'', θ, ''z'')를 사용하여, 매개변수 ''t'' (0 ≦ ''t'' ≦ 1)를 통해 원환면 매듭을 정의할 수 있다. 이때 곡선은 다음과 같이 표현된다.[22]:
:
:
5. 복소수 초곡면과의 관계
(''p'',''q'')-원환면 매듭은 고립된 복소수 초곡면 특이점의 연결을 고려할 때 발생한다.[13] 고립된 특이점을 중심으로 하고 다른 특이점을 포함하거나 만나지 않도록 충분히 작은 반경을 가진 초구와 복소수 초곡면을 교차시키면, 그 교차는 초구의 부분다양체를 제공한다.
두 개 이상의 서로 소인 정수 ''p''와 ''q''가 있다고 가정하고,
6. 예시 및 목록
(1, ±1)-원환면 매듭은 자명한 매듭이다.
(2, ±2)-원환면 연환은 호프 연환이다.
(3, 2)-원환면 매듭은 오른손 세잎매듭이고, (3, -2)-원환면 매듭은 왼손 세잎매듭이다.
(3, ±3)-원환면 연환은
(5, 2)-원환면 매듭은 오른손 다섯잎매듭 51이고, (5, -2)-원환면 매듭은 왼손 다섯잎매듭 51이다.
(8, 2)-원환면 연환과 (8, -2)-원환면 연환은 모두
(7, -2)-원환면 매듭은 71이다.
이 밖에도, (7, -3)-원환면 매듭, (8, -3)-원환면 매듭, (8, 3)-원환면 매듭, (12, 2)-원환면 연환 등이 있다.
원환면 매듭의 알렉산더-브리그스 기호 및 시슬스웨이트 기호(연환의 경우)는 다음과 같다.
(p,q) | 2 | 3 |
---|---|---|
2 | 호프 연환 | |
3 | 세잎매듭 31 | |
4 | 솔로몬 연환 | 819 |
5 | 다섯잎매듭 51 | 10124 |
다음은 다양한 (P, Q) 값에 따른 원환면 매듭 및 연환의 예시이다.
표 # | A-B | 이미지 | P | Q | 교차 # |
---|---|---|---|---|---|
0 | 0₁ | 60px | 0 | ||
3a1 | 3₁ | 60px | 2 | 3 | 3 |
5a2 | 5₁ | 60px | 2 | 5 | 5 |
7a7 | 7₁ | 60px | 2 | 7 | 7 |
8n3 | 8₁₉ | 60px | 3 | 4 | 8 |
9a41 | 9₁ | 60px | 2 | 9 | 9 |
10n21 | 10₁₂₄ | 60px | 3 | 5 | 10 |
11a367 | 60px | 2 | 11 | 11 | |
13a4878 | 60px | 2 | 13 | 13 | |
14n21881 | 60px | 3 | 7 | 14 | |
15n41185 | 60px | 4 | 5 | 15 | |
15a85263 | 2 | 15 | 15 | ||
16n783154 | 60px | 3 | 8 | 16 | |
2 | 17 | 17 | |||
2 | 19 | 19 | |||
3 | 10 | 20 | |||
60px | 4 | 7 | 21 | ||
2 | 21 | 21 | |||
3 | 11 | 22 | |||
2 | 23 | 23 | |||
60px | 5 | 6 | 24 | ||
2 | 25 | 25 | |||
3 | 13 | 26 | |||
60px | 4 | 9 | 27 | ||
2 | 27 | 27 | |||
60px | 5 | 7 | 28 | ||
3 | 14 | 28 | |||
2 | 29 | 29 | |||
2 | 31 | 31 | |||
60px | 5 | 8 | 32 | ||
3 | 16 | 32 | |||
4 | 11 | 33 | |||
2 | 33 | 33 | |||
3 | 17 | 34 | |||
60px | 6 | 7 | 35 | ||
2 | 35 | 35 | |||
60px | 5 | 9 | 36 | ||
60px | 7 | 8 | 48 | ||
60px | 7 | 9 | 54 | ||
60px | 8 | 9 | 63 |
7. g-토러스 매듭
'''g-토러스 매듭'''은 g-토러스 위에 그려진 닫힌 곡선이다.[14] 더 정확하게 말하면, 이는 '''S³''' 안의 종수 ''g'' 핸들바디 (그 여집합 또한 종수 ''g'' 핸들바디이다)의 부분 집합으로 실현될 수 있는 '''S³''' 안의 원의 위상동형 이미지이다.[14] 만약 매듭이 종수 2 핸들바디의 부분 집합이라면, 이는 '''이중 토러스 매듭'''이다.[14]
종수 2의 경우, 토러스 매듭이 아닌 이중 토러스 매듭의 가장 간단한 예시는 8자 매듭이다.[15][16]
8. 자명하지 않은 토러스 위의 토러스 매듭
3차원 공간에서 자명하지 않은 매듭 모양으로 되어 있는 토러스를 생각하는 경우에도, 메리디안은 통상적인 토러스와 마찬가지로 정의할 수 있다. 롱지튜드에 관해서는, 메리디안과 수직 방향으로 토러스 면을 한 바퀴 도는 듯한 동위가 아닌 복수의 닫힌 곡선 중, 토러스의 중심 곡선과의 얽힘수가 0이 되는 것[31], 또는 중심 곡선의 자이페르트 곡면과 토러스의 공통 부분이 되어 있는 것을 롱지튜드로 채용하기로 한다(어느 쪽으로 정의해도 동치이다).
이와 같이 하면, 자명하지 않은 매듭 모양으로 되어 있는 토러스에서도 (''p , q'')형 토러스 매듭(얽힘)에 상당하는 것을 생각할 수 있다. 다만, 그것은 통상적인 토러스에서의 같은 형의 토러스 매듭과는 다른 것이 된다. 이것은 케이블 매듭이라고 불린다.
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