2-Brücken-Knoten

In der Knotentheorie, einem Teilgebiet der Mathematik, sind 2-Brücken-Knoten bzw. 2-Brücken-Verschlingungen (auch: Knoten bzw. Verschlingungen mit 2 Brücken) eine Klasse von Knoten bzw. Verschlingungen. Sie wurden unter dem Namen Viergeflechte 1956 von Horst Schubert klassifiziert. Weil sie durch eine rationale Zahl ${\displaystyle {\frac {p}{q}}}$ klassifiziert werden können, werden sie häufig auch als rationale Knoten bzw. rationale Verschlingungen bezeichnet.

Definition

Ein 2-Brūckenknoten ist ein Knoten ${\displaystyle K}$, dessen Brückenzahl

${\displaystyle br(K)=2}$

ist. Das bedeutet, dass er sich so in ${\displaystyle 4}$ Intervalle zerlegen lässt, dass für eine geeignete Ebene ${\displaystyle E\subset \mathbb {R} ^{3}}$ jeweils ${\displaystyle 2}$ Intervalle in beiden von der Ebene berandeten Halbräumen liegen. (Äquivalent kann man auch verlangen, dass ${\displaystyle 2}$ Intervalle in einer Ebene und die anderen beiden Intervalle in einem der berandeten Halbräume liegen.)

Analog definiert man eine Verschlingung mit 2 Brücken als eine Verschlingung ${\displaystyle L}$ mit Brückenzahl ${\displaystyle br(L)=2}$.

Eine äquivalente Definition besagt, dass der Knoten bzw. die Verschlingung nach einer geeigneten Isotopie genau 2 Maxima bzgl. einer Höhenfunktion ${\displaystyle h\colon S^{3}\to \mathbb {R} }$ hat.

Conway-Normalform

Schematische Darstellung einer 2-Brücken-Verschlingung

Aus der unten stehenden Klassifikation ergibt sich, dass man jede Verschlingung mit 2 Brücken wie im Bild rechts darstellen kann, wobei ${\displaystyle a_{i}\in \mathbb {Z} }$ die Anzahl der Halbtwists in der jeweiligen Box bezeichnet und für gerade bzw. ungerade ${\displaystyle i}$ positive ${\displaystyle a_{i}}$ links- bzw. rechtshändigen Halbtwists entsprechen.

Diese Darstellung w​ird als Conway-Normalform bezeichnet.

Man kann stets erreichen, dass alle ${\displaystyle a_{i}}$ dasselbe Vorzeichen haben.[1] Insbesondere gibt die Conway-Normalform dann ein alternierendes Knotendiagramm.[2]

Klassifikation

Die über einer 2-Brücken-Verschlingung verzweigte 2-fache Überlagerung der 3-Sphäre ist ein Linsenraum ${\displaystyle L(p,q)}$. Die 2-Brücken-Verschlingungen werden durch diese Linsenräume klassifiziert. Man bezeichnet deshalb mit ${\displaystyle K(p,q)}$ diejenige Verschlingung, für die man den Linsenraum ${\displaystyle L(p,q)}$ erhält.

Insbesondere entsprechen zwei rationale Zahlen ${\displaystyle {\frac {p_{1}}{q_{1}}}}$ und ${\displaystyle {\frac {p_{2}}{q_{2}}}}$ genau dann isotopen Verschlingungen, wenn

${\displaystyle p_{1}=p_{2}}$ und entweder ${\displaystyle q_{1}\equiv q_{2}\mod p}$ oder ${\displaystyle q_{1}q_{2}\equiv 1\mod p}$ ist.

Modulo dieser Identitäten werden 2-Brücken-Verschlingungen also durch eine rationale Zahl ${\displaystyle {\frac {p}{q}}}$ klassifiziert, wobei man ${\displaystyle p>0}$ und ${\displaystyle -p<q<p}$ annehmen kann.[3]

In der oben beschriebenen Conway-Normalform entspricht ${\displaystyle {\frac {p}{q}}}$ dem Kettenbruch ${\displaystyle \left[a_{0};a_{1},a_{2},a_{3},\ldots \right]}$:

${\displaystyle {\frac {p}{q}}={\cfrac {1}{a_{1}+{\cfrac {1}{a_{2}+{\cfrac {1}{a_{3}+{\cfrac {1}{\;\,\ddots }}}}}}}}}$

(Die Kettenbruchdarstellung einer rationalen Zahl ${\displaystyle {\frac {p}{q}}}$ ist nicht eindeutig, aber alle Kettenbruchzerlegungen ergeben denselben Knoten ${\displaystyle K(p,q)}$.)

Das Spiegelbild eines 2-Brücken-Knotens ${\displaystyle K(p,q)}$ ist ${\displaystyle K(p,-q)}$. Einen orientierungsumdrehenden Homöomorphismus ${\displaystyle (S^{3},K(p_{1},q_{1}))\to (S^{3},K(p_{2},q_{2}))}$ zwischen zwei unterschiedlichen 2-Brücken-Knoten gibt es genau dann, wenn

${\displaystyle p_{1}=p_{2}}$ und entweder ${\displaystyle q_{1}\equiv -q_{2}\mod p}$ oder ${\displaystyle q_{1}q_{2}\equiv -1\mod p}$ ist.

Insbesondere ist ein 2-Brücken-Knoten genau dann amphichiral, wenn ${\displaystyle q^{2}\equiv -1\ mod\ p}$ ist.

Für 2-Brücken-Verschlingungen (mit 2 Komponenten) g​ibt es e​inen orientierungserhaltenden Homöomorphismus g​enau dann, wenn

${\displaystyle p_{1}=p_{2}}$ und entweder ${\displaystyle q_{1}\equiv q_{2}\mod 2p}$ oder ${\displaystyle q_{1}q_{2}\equiv 1\mod 2p}$ ist.[4]

Beispiele

Die einzigen Torusknoten unter den 2-Brücken-Knoten sind die ${\displaystyle (\pm 2,n)}$-Torusknoten.[5]

Alle 2-Brücken-Knoten, d​ie keine Torusknoten sind, s​ind hyperbolische Knoten.

Die Kleeblattschlinge ist der 2-Brücken-Knoten ${\displaystyle K(3,1)}$ mit Conway-Normalform ${\displaystyle \left[3\right]}$, der Achterknoten ist der 2-Brücken-Knoten ${\displaystyle K(5,2)}$ mit Conway-Normalform ${\displaystyle \left[2,2\right]}$.

KnotInfo g​ibt eine Liste a​ller 2-Brücken-Knoten m​it bis z​u 12 Kreuzungen u​nd berechnet d​ie bekannten Knoteninvarianten.[6]

${\displaystyle K(p,q)}$ ist genau dann ein Knoten, wenn ${\displaystyle p}$ ungerade ist. Wenn ${\displaystyle p}$ gerade ist, dann besteht die 2-Brücken-Verschlingung aus zwei Komponenten.

Eigenschaften und Invarianten

Die Knotengruppe der 2-Brücken-Verschlingung ${\displaystyle K(p,q)}$ hat die Präsentierung

${\displaystyle \langle a,b\mid ab^{\epsilon _{1}}a^{\epsilon _{2}}\ldots b^{\epsilon _{\alpha _{1}}}a^{-1}b^{-\epsilon _{\alpha _{1}}}\ldots a^{-\epsilon _{2}}b^{-\epsilon _{1}}\rangle }$

mit ${\displaystyle \epsilon _{k}:=\left(-1\right)^{\left[{\frac {kp}{q}}\right]}}$.

Die inkompressiblen Flächen in den Komplementen von 2-Brückenknoten wurden von Hatcher und Thurston klassifiziert.[7] Insbesondere bewiesen sie, dass es keine geschlossenen inkompressiblen Flächen gibt. Wenn ${\displaystyle K(p,q)}$ kein Torusknoten ist, dann gibt jede Dehn-Chirurgie eine irreduzible 3-Mannigfaltigkeit und fast alle Dehn-Chirurgien geben Mannigfaltigkeiten, die keine Haken-Mannigfaltigkeit und auch keine Seifert-Faserung sind.

Bereits Schubert bewies, d​ass die 2-fachen verzweigten Überlagerungen Linsenräume sind. Die Klassifikation a​ller endlichen verzweigten Überlagerungen w​urde von Minkus erarbeitet.[8]

Die Komplemente hyperbolischer 2-Brückenknoten (mit Ausnahme d​es Achterknotens) s​ind zu keinen anderen Knotenkomplementen außer s​ich selbst kommensurabel.[9]

Es g​ibt Formeln für d​ie Berechnung d​es HOMFLY-Polynoms u​nd insbesondere d​es Jones-Polynoms v​on 2-Brücken-Knoten.[10]

Siehe auch

• Montesinos-Knoten

Literatur

• Horst Schubert: Knoten mit zwei Brücken, Mathematische Zeitschrift 65, 133–170 (1956). doi:10.1007/BF01473875
• John Conway: An enumeration of knots and links, and some of their algebraic properties. Computational Problems in Abstract Algebra (Proc. Conf., Oxford, 1967) 329–358, Pergamon, Oxford (1970). PDF
• Laurent Siebenmann: Exercices sur les noeuds rationnels, Université Paris-Sud (1975).
• Louis H. Kauffman, Sofia Lambropoulou: On the classification of rational knots, L' Enseignement Mathématique, 49, 357–410 (2003). ArXiv
• C. C. Adams, Das Knotenbuch. Einführung in die mathematische Theorie der Knoten, Spektrum Akademischer Verlag (1995) ISBN 3860253387

Weblinks

Tabelle rationaler Knoten m​it bis z​u 16 Kreuzungen

Einzelnachweise

1. Exercise 9.2.6 in: Kunio Murasugi: Knot theory & its applications. Translated from the 1993 Japanese original by Bohdan Kurpita. Reprint of the 1996 translation, Modern Birkhäuser Classics. Birkhäuser Boston, Inc., Boston, MA, 2008. ISBN 978-0-8176-4718-6
2. Carl Bankwitz, Hans Georg Schumann: Über Viergeflechte. Abh. Math. Sem. Univ. Hamburg 10 (1934), no. 1, 263–284.
3. Murasugi, op.cit., S. 189.
4. Schubert, op. cit.
5. Jennifer Schultens: Bridge numbers of torus knots. Math. Proc. Cambridge Philos. Soc. 143 (2007), no. 3, 621–625. (Der Satz geht ursprünglich auf Horst Schubert zurück.)
6. KnotInfo:
   • Tabelle der 2-Brücken-Knoten
   • Berechnung aller Invarianten
7. Allen Hatcher, William Thurston: Incompressible surfaces in 2-bridge knot complements. Invent. Math. 79 (1985), no. 2, 225–246.
8. Jerome Minkus: The branched cyclic coverings of 2 bridge knots and links. Mem. Amer. Math. Soc. 35 (1982), no. 255
9. Alan Reid, Genevieve Walsh: Commensurability classes of 2-bridge knot complements. Algebr. Geom. Topol. 8 (2008), no. 2, 1031–1057.
10. Shigekazu Nakabo: Formulas on the HOMFLY and Jones polynomials of 2-bridge knots and links. Kobe J. Math. 17 (2000), no. 2, 131–144.