title: [Il polinomio di Kauffman: \ un invariante di isotopia regolare],
page-title: [Il polinomio di Kauffman: un invariante di isotopia regolare],
authors: ((
name: "Antonio De Lucreziis",
organization: "Dipartimento di Matematica",
location: "Pisa, Italia",
email: "antonio.delucreziis@gmail.com",
),),
authors: (
(
name: "Antonio De Lucreziis",
organization: "Dipartimento di Matematica",
location: "Pisa, Italia",
email: "antonio.delucreziis@gmail.com",
),
),
abstract: [
In questa tesi tratteremo del polinomio di Kauffman, un invariante di nodi e link di isotopia regolare. Introdurremo dei risultati di fondazione della teoria dei nodi per definire l'isotopia regolare. Infine vedremo la dimostrazione della buona definizione del polinomio di Kauffman a partire dalla forma assiomatica. Per il progetto di Laboratorio Computazionale abbiamo implementato in Python questo polinomio e verificato tutti i valori presenti nel database di KnotInfo e trovato un errore nel calcolo del nodo $10_125$.
],
@ -78,17 +83,19 @@ Ora introdurremo alcuni risultati fondamentali di teoria dei nodi. Vedremo le de
Dato un embedding $f : X arrow Y$, un punto $p in X$ allora $f$ si dice *localmente piatto* in $p$ se $exists U subset bb(R)^3$ intorno di $p$, tale che
] <locally-flat>
#grid(columns: (1fr, 1fr), gutter: 1em, align: center + horizon, grid(
e analogamente segue anche per l'altro ricciolo che $F(#skein.under-twist) = F(#skein.strand)$.
@ -471,10 +476,7 @@ Vedremo come questi assiomi definiscono un unico invariante di isotopia regolare
*Notazione.* Per rendere alcuni calcoli più leggibili, in questo capitolo utilizzeremo in modo intercambiabile le notazioni $L_K, L[K]$ per indicare il polinomio di Kauffman associato ad un certo diagramma.
#definition(
numbered: true,
name: [Assiomi di $L_K$],
)[
#definition(numbered: true, name: [Assiomi di $L_K$])[
Sia $K$ un diagramma di un link non orientato, e sia $bb(Z)[a, a^(-1), z, z^(-1)]$ l'anello dei polinomi di Laurent sugli interi nelle variabili $a$ e $z$.
Allora $L_K in bb(Z)[a, a^(-1), z, z^(-1)]$, e verifica i seguenti assiomi:
Questo valore $delta = (a + 1 slash a) slash z - 1$ ricomparirà anche in seguito ed è il coefficiente che il polinomio di Kauffman introduce quando abbiamo più componenti disgiunte (ovvero $L[K_1 union.sq K_2] = delta L[K_1] L[K_2]$).
@ -787,9 +784,9 @@ Dato un diagramma di un nodo $K$, l'idea per la costruzione della definizione ri
Questo induce una sequenza di indici $lambda$ che indichiamo con $lambda = (0, dots, n)$. Se applichiamo incrementalmente gli scambi a $K$, ovvero consideriamo $S_i dotss S_0 K$ al variare di $i$, ed applichiamo la relazione skein #link(<kauffman-poly-def>)[ii.a)] a questi diagrammi, otteniamo le seguenti relazioni:
@ -937,10 +922,7 @@ Per prima cosa osserviamo che in ogni termine della definizione induttiva per $L
Nel corso della dimostrazione tutti gli argomenti per induzione si baseranno sul numero di incroci. Ometteremo i casi base, ovvero i controlli per diagrammi con pochi incroci che fanno partire l'induzione in quanto sono tutte semplici verifiche.
Ora ricordiamo l'@observation-seq-ops-commute, per cui operazioni su indici diversi commutano tra loro, quindi possiamo spostare l'operazione $S_0$ in modo che sia applicata per ultima ed otteniamo:
A questo punto notiamo che tutti i diagrammi $E_i S_(i-1) dotss S_1 K$ e $e_i S_(i-1) dotss S_1 K$ per $i = 1, dots, n$ hanno applicato uno splice, quindi hanno strettamente meno incroci di $K$. Possiamo dunque applicare l'ipotesi induttiva e sostituire tutti i termini nella forma:
@ -1055,56 +1037,64 @@ Nel corso della dimostrazione tutti gli argomenti per induzione si baseranno sul
Ora distribuiamo e riorganizziamo tutti i termini in modo da avere prima quelli che riguardano $E_0 K$ e poi tutti quelli per $e_0 K$ ed otteniamo quanto segue:
Infine osserviamo che i termini dentro le parentesi in $z(#blank)$ sono proprio somme della forma $sum_(E_0 K) (gamma)$ e $sum_(e_0 K) (gamma)$ per $gamma = (n, dots, 1)$, dunque possiamo riscrivere l'espressione precedente come
Ora possiamo applicare l'ipotesi induttiva in quanto tutti i diagrammi hanno strettamente meno di $N$ incroci. Applicando l'ipotesi induttiva per $gamma$ e osservando che con la convenzione di Kauffman $abs(gamma) + 1 = (n - 1) + 1 = n$, otteniamo che
Osserviamo che passeremo prima dalla componente $K_2^*$ in verso opposto, questa parte sarà quindi in forma ascendente. Al secondo incontro dello splice dell'incrocio $i$, torneremo sulla componente $K_1$ che percorreremo nel verso originale che sarà quindi in forma discendente.
Siano ora $w_1$ e $w_2$ i writhe rispettivamente di $K_1$ e $K_2$. Per il teorema della curva di Jordan, la somma dei segni degli incroci tra componenti diverse ha somma zero poiché una delle due _sovrasta_ l'altra. Segue che $w_1 + w_2 = w$. Ricapitoliamo ora tutti i termini:
come già detto prima, l'ultimo incrocio vicino ad esso è un sotto-incrocio dunque $K(q)$ è già in forma di nodo banale standard. Segue che $i$ non appartiene alla sequenza di scambi che sarà $(n-1, dots, 0)$ e quindi $hat(K)(q) = S_(n-1) dotss S_0 K$. Vorremo vedere che $Omega_K (p) = Omega_K (q)$, ovvero che queste due espressioni coincidano:
$
Omega_K (p) &= (-1)^(n+1) L[hat(K)(p)] + z sum_K (lambda(p)) \
Omega_K (q) &= (-1)^((n-1)+1) L[hat(K)(q)] + z sum_K (lambda(q))
Omega_K (p) &= (-1)^(n+1) L[hat(K)(p)] + z sum_K (lambda(p)) \
Omega_K (q) &= (-1)^((n-1)+1) L[hat(K)(q)] + z sum_K (lambda(q))
$
Come in precedenza possiamo studiare la differenza:
$
Omega_K (p) - Omega_K (q)
=& (-1)^(n+1) L[hat(K)(p)] + z sum_K (lambda(p)) \
&+ underbrace((-1)^(n+1), = -(-1)^n) L[hat(K)(q)] - z sum_K (lambda(q)) \
=& (-1)^(n+1) (L[hat(K)(p)] + L[hat(K)(q)]) \
&+ z (-1)^n (L[A_n^lambda K] + L[B_n^lambda K])
=& (-1)^(n+1) L[hat(K)(p)] + z sum_K (lambda(p)) \
&+ underbrace((-1)^(n+1), = -(-1)^n) L[hat(K)(q)] - z sum_K (lambda(q)) \
=& (-1)^(n+1) (L[hat(K)(p)] + L[hat(K)(q)]) \
&+ z (-1)^n (L[A_n^lambda K] + L[B_n^lambda K])
$
qui abbiamo usato il fatto che tutti i termini in $sum_K (lambda(p)) - sum_K (lambda(q))$ si cancellano tra loro tranne l'ultimo di $sum_K (lambda(p))$.
@ -1461,9 +1450,9 @@ Possiamo ora mostrare l'invarianza per scelta di punto base di $Omega_K (p)$.
Ora notiamo che
$
A_n^lambda K &= E_n S_(n-1) dotss S_0 K = E_n hat(K)(p) \
B_n^lambda K &= e_n S_(n-1) dotss S_0 K = e_n hat(K)(p) \
// hat(K)(q) &= S_n space.med hat(K)(p)
A_n^lambda K &= E_n S_(n-1) dotss S_0 K = E_n hat(K)(p) \
B_n^lambda K &= e_n S_(n-1) dotss S_0 K = e_n hat(K)(p) \
// hat(K)(q) &= S_n space.med hat(K)(p)
$
inoltre per il @lemma-slide-identities abbiamo anche che
@ -1475,11 +1464,11 @@ Possiamo ora mostrare l'invarianza per scelta di punto base di $Omega_K (p)$.
Per concludere basta sostituire queste ultime identità
Questa volta $i$ fa parte della sequenza di scambi per $K(q)$ poiché $i$ compare come ultimo incrocio nella visita e quindi in $hat(K)(q)$ sarà un sotto-incrocio. La situazione è più complessa di prima, $i$ comparirà come sopra-incrocio in mezzo alla sequenza di scambi. Avremo quindi le seguenti sequenze per $p$ e per $q$:
Se ora consideriamo gli scambi da applicare che ci portano a $hat(K)(p)$ e $hat(K)(q)$ abbiamo che
$
hat(K)(p) &= S_n S_(n-1) space.med dots.c space S_(i+1) S_(i-1) space.med dots.c space S_0 K \
hat(K)(q) &= S_n S_(n-1) space.med dots.c space S_(i+1) S_i S_(i-1) space.med dots.c space S_0 K \
hat(K)(p) &= S_n S_(n-1) space.med dots.c space S_(i+1) S_(i-1) space.med dots.c space S_0 K \
hat(K)(q) &= S_n S_(n-1) space.med dots.c space S_(i+1) S_i S_(i-1) space.med dots.c space S_0 K \
$
Dunque riordinando gli scambi ed applicando $S_i$ per ultimo, possiamo notare che $S_i hat(K)(q) = hat(K)(p)$.
@ -1533,8 +1522,8 @@ Possiamo ora mostrare l'invarianza per scelta di punto base di $Omega_K (p)$.
Con un argomento simile a quello del @lemma-slide-identities, possiamo applicare l'enunciato alla coppia $hat(K)(p), hat(K)(q)$ per l'indice $i$ anche se in questo caso l'indice $i$ è il primo _subito prima_ di $q$. Inoltre per il @lemma-sum-switches-rotation abbiamo che $sum_K (p), sum_K (q)$ sono invarianti a meno di permutazioni cicliche. Possiamo quindi sostituire $lambda(p)$ e $lambda(q)$ con le seguenti sequenze di scambi applicando le giuste rotazioni all'indietro.
A questo punto possiamo applicare lo stesso argomento del punto precedente.
@ -1560,22 +1549,20 @@ A questo punto possiamo vedere che $L_K$ verifica gli assiomi della @kauffman-po
- Se $K$ ha una sola componente ed un incrocio $i$: consideriamo $S_i K$, $E_i K$ e $e_i K$; scegliendo bene $p$ possiamo fare in modo che $i$ sia il primo incrocio nella sequenza di scambi. Ora consideriamo l'espressione del caso @kauffman-rec-single-component, con una singola componente:
$
L_K (a, z) &colon.eq
1 / 2
sum_(q = p, overline(p))
((-1)^(abs(lambda(q))+1) L[hat(K)(lambda(q))] + z sum_K (lambda(q)))
\
&= 1 / 2
sum_(q = p, overline(p))
((-1)^(n+1) L[hat(K)(q)] + z sum_K (lambda(q)))
L_K (a, z) & colon.eq
1 / 2
sum_(q = p, overline(p))
((-1)^(abs(lambda(q))+1) L[hat(K)(lambda(q))] + z sum_K (lambda(q))) \
& = 1 / 2
sum_(q = p, overline(p))
((-1)^(n+1) L[hat(K)(q)] + z sum_K (lambda(q)))
$
Ricordiamo le definizioni dei termini $Omega_K (p)$ e $sum_K (lambda(q))$:
La tesi segue considerando la differenza nelle espansioni di $Omega_K (p)$ e $Omega_(S_i K) (p)$, in particolare tutti i termini si cancellano tranne il primo:
@ -1593,8 +1580,8 @@ A questo punto possiamo vedere che $L_K$ verifica gli assiomi della @kauffman-po
$
L_K (a, z) colon.eq
1 / (2n) [
sum_(i=1)^n sum_(q=p_i, overline(p)_i)
((-1)^(abs(lambda(q))+1) delta kL_(K_i) kL_(K - K_i) + z sum_K (lambda(q)))
sum_(i=1)^n sum_(q=p_i, overline(p)_i)
((-1)^(abs(lambda(q))+1) delta kL_(K_i) kL_(K - K_i) + z sum_K (lambda(q)))
]
$
}
@ -1632,8 +1619,8 @@ Come ultimo risultato vediamo che $L_K$ è un invariante di isotopia regolare.
Vorremo vedere che vale $L[K] = L[S_2 S_1 K]$. Consideriamo le seguenti relazioni:
Dunque i due membri di destra di $(3)$ coincidono ed abbiamo quanto cercato:
@ -1720,9 +1703,9 @@ Come ultimo risultato vediamo che $L_K$ è un invariante di isotopia regolare.
In questo modo due dei tre incroci non compariranno nella sequenza di scambi, per quanto riguarda l'incrocio rimanente $*$, consideriamo la definizione @kauffman-rec-single-component:
$
L_K (a, z) &colon.eq 1 / 2
sum_(q = p, overline(p))
((-1)^(abs(lambda(q))+1) L_(hat(K)(lambda(q))) + z sum_K (lambda(q)))
L_K (a, z) &colon.eq 1 / 2
sum_(q = p, overline(p))
((-1)^(abs(lambda(q))+1) L_(hat(K)(lambda(q))) + z sum_K (lambda(q)))
$
l'incrocio $*$ può comparire o scambiato, in tal caso sicuramente comparirà dentro la somma $sum_K (lambda(q))$ dove ci sono già degli splice ovvero diagrammi con un incrocio in meno e possiamo applicare l'ipotesi induttiva. Altrimenti siamo nel caso di splice dell'incrocio $i$, ovvero siamo in uno dei seguenti casi:
@ -1751,4 +1734,4 @@ Come ultimo risultato vediamo che $L_K$ è un invariante di isotopia regolare.
In questo caso però possiamo applicare un'argomentazione simile a quella della mossa II, possiamo usare $L[K] = L[S_2 S_1 K]$ per semplificare la situazione in modo che non ci siano due incroci consecutivi che appartengano ad una sequenza di rialzo, ed ora procedere come nel caso precedente.
Abbiamo così mostrato che per ogni diagramma di nodi e link, il polinomio $L_K$ è invariante per mosse di tipo III e mosse di tipo II che riducono il numero di incroci. Dunque è anche invariante per mosse di tipo II in entrambe le direzioni e questo completa la dimostrazione.
Obiettivo: costruire un invariante polinomiale robusto
]
]
]
== Nodi e Diagrammi
#slide[
*Definizione:* Un *nodo tame* è un sottoinsieme $K subset bb(R)^3$ per cui esiste un embedding $f : bb(S)^1 arrow.hook bb(R)^3$ localmente piatto con $K = f(bb(S)^1)$.
#definition[
$K subset bb(R)^3$ è un *nodo tame* se esiste $f : bb(S)^1 arrow.hook bb(R)^3$ embedding localmente piatto con $K = f(bb(S)^1)$
]
#pause
*Problema:* Lavorare direttamente con embedding in $bb(R)^3$ è complesso
#figure(image("assets/wild_knot.svg", height: 5cm), caption: [Esempio di nodo non tame])
]
#pause
== Isotopia Ambiente
*Soluzione:* Proiezioni su un piano
- Proiettiamo il nodo su un piano
- Aggiungiamo informazione *sopra/sotto* ad ogni incrocio
- Otteniamo un *diagramma* del nodo
#slide[
#definition[
$K_0, K_1 subset bb(R)^3$ sono *equivalenti* se esiste un'*isotopia ambiente* che porta uno nell'altro, ovvero esiste $H : bb(R)^3 times [0, 1] arrow bb(R)^3$ continua, tale che:
#pause
- $forall t in [0, 1], H(dot, t)$ è un omeomorfismo
#align(center)[
I diagrammi sono l'interfaccia computazionale per studiare i nodi
e ponendo $H_t (x) colon.eq H(x, t)$ si ha
- $H_0 = id_(bb(R)^3)$
- $H_1(K_0) = K_1$
]
]
== Equivalenze tra Nodi
#slide[
*Isotopia Ambiente:* Deformare un nodo senza tagliarlo o incollarlo
*Def.* Un *nodo poligonale* è un nodo equivalente ad un'unione finita di segmenti lineari.
Due nodi $K_0, K_1 subset bb(R)^3$ sono *equivalenti* se esiste un'*isotopia ambiente* $H : bb(R)^3 times [0,1] arrow bb(R)^3$
*Fatto (Crowell).* Dato un nodo $K subset bb(R)^3$, $K$ è *tame* $<=>$ $K$ è *poligonale*.
#pause
\
*Teorema di Reidemeister:* Due diagrammi rappresentano nodi equivalenti se e solo se sono collegati da mosse I, II, III
*Def.* Possiamo generalizzare i nodi $bb(S)^1 arrow bb(R)^3$ a *link* come $bb(S)^1 union.sq dots.c union.sq bb(S)^1 arrow bb(R)^3$.
]
#pause
== Proiezioni e Diagrammi
*Isotopia Regolare:* Equivalenza generata solo da mosse II e III (ignoriamo la mossa I)
// Data $v in bb(S)^2 subset bb(R)^3$ direzione, $pi_v : bb(R)^3 arrow v^perp$ proiezione sul piano ortogonale a $v$ come nella seguente figura:
#pause
*Fatto.* Sia $L subset bb(R)^3$ link poligonale, allora esiste un aperto denso $U subset bb(S)^2$ tale che $forall v in U$ e detta $pi_v : bb(R)^3 arrow v^perp$ la proiezione sul piano $v^perp$ come in figura, abbiamo che:
2. Se $x in pi_v (L)$ è tale che $abs(pi^(-1)(x)) > 1$, ovvero è un punto *singolare*, allora:
- $pi_v^(-1)(x)$ non contiene vertici di $L$
- $abs(pi^(-1)(x)) = 2$ ovvero è un *punto doppio*, questi sono gli *incroci* della proiezione.
- $x$ è un punto di intersezione trasversa
Gli altri punti sono detti *regolari*.
],
)
== Proiezioni e Diagrammi
// Sia $L subset bb(R)^3$ un link, $v in bb(S)^2$ una direzione e $pi_v : bb(R)^3 arrow v^perp$ la proiezione su $v^perp$:
// Quindi dato $L subset bb(R)^3$ link poligonale, esiste una proiezione regolare $pi(L) subset bb(R)^2$ con un numero finito di punti singolari, ciascuno dei quali è un punto doppio e di intersezione trasversa. Ognuno di questi punti doppi viene detto *incrocio*.
*Def.* Un *diagramma* $D subset bb(R)^2$ di un link $L subset bb(R)^3$ è l'immagine di $L$ attraverso una proiezione regolare decorata con l'informazione sopra/sotto ad ogni incrocio.
#grid(
columns: (1fr, auto),
gutter: 1em,
[
*Def.* Le mosse I, II, III sono dette *mosse di Reidemeister*.
= Teoria e Costruzione
*Teorema (di Reidemeister).* Due diagrammi di link equivalenti sono collegati da una successione finita di isotopie planari e mosse di Reidemeister.
