Entrelacs (théorie des nœuds)

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En théorie des nœuds, un entrelacs est un enchevêtrement de plusieurs nœuds. L'étude des entrelacs et des nœuds est liée, plusieurs invariants s'interprétant plus naturellement dans le cadre général des entrelacs, au moyen notamment des relations d'écheveau.

Définition[modifier | modifier le code]

Entrelacs[modifier | modifier le code]

Un entrelacs est la donnée d'un plongement injectif d'une ou plusieurs copies du cercle S1 dans ℝ3 ou dans S3. Deux entrelacs sont considérés équivalents lorsqu'ils sont identiques à isotopie près.

En particulier, l'entrelacs trivial correspond à deux copies disjointes de S1. Un entrelacs est dit « véritablement noué » s'il n'est pas isotope à l'entrelacs trivial, et il s'agit d'un véritable entrelacs s'il n'est pas l'union disjointe de deux nœuds.

Les entrelacs étudiés sont généralement les entrelacs réguliers, c'est-à-dire tels que chacune de ses composantes est un nœud, mais il existe également une notion d'entrelacs singuliers. On demande en plus que ces nœuds ne soient pas sauvages. Un entrelacs à une seule composante est alors exactement un nœud.

Puisqu'on peut orienter un nœud, on peut orienter chaque composante d'un entrelacs, et les isotopies sont censées respecter cette orientation.

Entrelacs premiers et classification[modifier | modifier le code]

De manière analogue aux nœuds, il existe une notion d'entrelacs premier. Un entrelacs est dit premier s'il n'est pas somme connexe d'autres entrelacs. L'entrelacs trivial, l'entrelacs de Hopf, de Whitehead[1] et les anneaux borroméens sont premiers[2].

Un entrelacs donné possède un nombre fini de facteurs, uniques (à changement d'ordre près)[3]

Une première classification des entrelacs premiers a été publiée en 1976 par Rolfsen. Les entrelacs y sont désignés par la notation c_{k}^{n} avec c le nombre de croisements de l'entrelacs, n le nombre de composantes et k un indice indiquant sa position parmi les entrelacs ayant même nombre de croisements. Cette notation peut se voir comme une extension naturelle de la notation d'Alexander-Briggs[4]. Par exemple, le nœud de trèfle est noté 31 et l'entrelacs de Whitehead est noté 5_1^2. Une notation alternative est c-nk ; par exemple l'entrelacs de Whitehead est identifié par la notation 05-0201.

Les dernières classifications de nœuds et d'entrelacs comptent plusieurs millions d'entrées[5].

Invariants d'entrelacs[modifier | modifier le code]

La classification des entrelacs est moins aisée que celle des nœuds. Certaines propriétés s'étendent naturellement aux entrelacs, comme l'existence d'une surface de Seifert (en)[6], donc d'un genre ; d'autres en revanche cessent de s'appliquer. Par exemple, deux entrelacs distincts peuvent avoir un même complément[7], alors que c'est impossible pour les nœuds[8].

Le premier invariant d'entrelacs est naturellement le nombre de composantes qui le constituent, mais il ne permet pas de distinguer entre deux nœuds. D'autres invariants simples incluent :

  • L'enlacement (qui ne permet pas de distinguer le nœud trivial de l'entrelacs de Whitehead) ;
  • Le nombre de croisements, c'est-à-dire le nombre minimal de croisements qu'un diagramme de l'entrelacs peut avoir ;
  • Le genre ;
  • La tricolorabilité.

Ces invariants sont largement inefficaces pour distinguer les entrelacs, et de plus ne sont pas forcément aisément calculables. On leur préfère les invariants polynomiaux ou, mieux encore, les invariants de Vassiliev, qui sont des avatars de l'intégrale de Kontsevich.

Théorème d'Alexander et mots de tresses[modifier | modifier le code]

Le théorème d'Alexander stipule que tout entrelacs est représentable par une tresse fermée[9]. Si l'entrelacs possède n composantes, on peut décrire la tresse par la suite des permutations qui la caractérisent. On fait cela en donnant un mot constitué des symboles \sigma_i^{\pm 1}, où l'indice i parcourt l'ensemble {1, …, n- 1 } et où le signe indique s'il s'agit d'une permutation positive (le brin i passe au-dessus du brin i + 1) ou négative (le brin i passe au-dessous du brin i + 1). Lorsque plusieurs permutations sur un même brin se suivent, on contracte l'écriture :

\sigma_i^{s_1} \sigma_i^{s_2} \cdots \sigma_i^{s_k} = \sigma_i^{\sum_{j=1}^k s_j}

Quelques exemples de mots de tresses :

  • Entrelacs de Hopf : \sigma_1^2
  • Anneaux borroméens : (\sigma_1^{-1}\sigma_2)^3
  • Entrelacs de Whitehead : \sigma_1\sigma_2^{-1} \sigma_1 \sigma_2^{-2}

Le mot ainsi constitué n'est pas unique, mais il est possible de reconnaître deux telles présentations d'un même entrelacs : en effet le problème du mot est décidable dans les groupes de tresses, et on dispose d'un algorithme dû à Markov[10],[11]. Par exemple, une autre présentation de l'entrelacs de Whitehead est \sigma_1^2\sigma_2^2\sigma_1^{-1}\sigma_2^{-2}

Déterminant et signature[modifier | modifier le code]

La matrice de Seifert d'un entrelacs n'est pas un invariant (puisqu'en particulier la surface de Seifert n'est pas unique). En revanche, on peut définir à partir d'elle deux quantités numériques qui, elles, le sont.

Si L est un entrelacs (orienté) et F une surface de Seifert de L, de matrice de Seifert M, on définit

\mathrm{det}(L) = \left| \mathrm{det}(M + M^{\mathrm{T}}) \right|
\sigma(L) = \sigma(M + M^{\mathrm{T}})

le déterminant et la signature de l'entrelacs. Ce sont des invariants d'entrelacs, qui ne dépendent que de L. De plus, si un entrelacs L peut être factorisé en L1#L2, on a

\mathrm{det}(L_1\#L_2) = \mathrm{det}(L_1)\cdot \mathrm{det}(L_2)
\sigma(L_1\#L_2) = \sigma(L_1) + \sigma(L_2)

Polynôme d'Alexander[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Polynôme d'Alexander.

Le polynôme d'Alexander est défini sur les entrelacs (à partir d'une matrice de Seifert), et on a notamment pour un entrelacs L à n composantes :

\Delta_L(-x) = (-1)^{n-1} \Delta_L(x) = \Delta_L(x^{-1})
\Delta_L = (-1)^{n+1} \Delta_{l^*}
|\Delta_L(\pm i)| = \mathrm{det}(L)

avec i2 = -1 et L* l'image de L dans un miroir.

Si L possède plus d'une composante, \Delta_L(1) = 0, et on a

\Delta_{L_1\#L_2} = \Delta_{L_1} \Delta_{L_2}

Le polynôme d'Alexander est un invariant des entrelacs orientés.

Polynôme de Kaufmann[modifier | modifier le code]

Louis Kaufmann (en) a introduit en 1987 un invariant d'entrelacs[12],[13] qui s'identifie (une fois normalisé convenablement) au polynôme de Jones, et permet de l'interpréter comme invariant quantique (en).

Polynôme crochet[modifier | modifier le code]

Soit D un diagramme non orienté d'entrelacs. On appelle polynôme crochet de D le polynôme de Laurent \langle D \rangle, d'indéterminée A, défini par les axiomes :

  • \langle 0_1^1 \rangle = 1 ;
  • \langle D \sqcup 0_1^1 \rangle = \delta\sqcup signifie la somme disjointe et où \delta(A) = -A^{-2} - A^2 ;
  • \langle D_+ \rangle = A \langle D_0\rangle + A^{-1}\langle D_{\infty} \rangle, où D_+, D_0 et D_{\infty} sont les diagrammes correspondant aux variations locales d'écheveau[14]
Kauffman bracket2.png

Le polynôme crochet de n cercles disjoints est \delta^{n-1}. On peut alors utiliser les mouvements de Reidemeister et les relations d'écheveau pour assembler un entrelacs donné à partir de ces cercles. Cependant, le polynôme crochet sous cette forme n'est pas invariant par le premier mouvement de Reidemeister (il l'est pour les deux autres mouvement), il faut imposer une normalisation pour en faire un invariant d'entrelacs.

Polynôme normalisé et polynôme de Jones[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Polynôme de Jones.

Soit D un diagramme orienté, et |D| le diagramme D sans son orientation, le polynôme crochet normalisé (ou polynôme de Kaufmann) de D est

\overline{\langle D \rangle} = (-A^{-3})^{w(D)} \langle |D|\rangle.

w désigne l'entortillement du diagramme.

C'est un invariant des entrelacs orientés, et en fait il s'identifie au polynôme de Jones par un changement de variable :

V_L(A^{-4}) = \overline{\langle D \rangle}(A)

On pose donc désormais t = A^{-4}.

Si on note 0_1^n l'entrelacs trivial à n composantes, on a

V(0_1^n) = \left(-t^{\frac12} - t^{-\frac12} \right)^{n-1}

Puisque c'est un invariant, on peut à partir des relations d'écheveau calculer le polynôme de Jones d'un entrelacs quelconque.

Le polynôme de Jones est strictement plus fin, comme invariant d'entrelacs orientés, que le polynôme d'Alexander. Cependant, il existe des entrelacs que le polynome de Jones ne distingue pas entre eux, voire ne distingue pas de l'entrelacs trivial[15].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Ce sont les entrées n = 2 et n = 5 de la suite A048952 de l'OEIS. L'entrelacs trivial n'a pas de croisements et ne figure pas dans la liste, mais il est premier par définition.
  2. Entrée n = 6 de la suite A048953 de l'OEIS.
  3. Cromwell 2004
  4. (en) James Alexander et Garland Briggs, « On types of knotted curves », The Annals of Mathematics, vol. 28, no 1/4,‎ 1926-1927, p. 562-586
  5. Hoste 2005, p. 28
  6. (de) Felix Frankl et Lev Pontrjagin, « Ein Knotensatz mit Anwendung auf die Dimensionstheorie », Math. Annalen, vol. 102, no 1,‎ 1930, p. 785-789 (lien DOI?)
  7. Adams 1994, p. 261
  8. (en) Cameron Gordon et John Luecke, « Knots are Determined by their Complements », J. Amer. Math. Soc., vol. 2,‎ 1989, p. 371-415
  9. (en) James Alexander, « A lemma on systems of knotted curves », Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 9, no 3,‎ 1923, p. 93
  10. (de) Andrey Markov, « Über die freie Äquivalenz der geschlossenen Zöpfe », Recueil Mathématique De La Société Mathématique De Moscou, vol. 1,‎ 1935, p. 73-78
  11. (en) Sofia Lambropoulou et Colin Rourke, « Markov's theorem in 3-manifolds », Topology and its Applications, vol. 78, no 1–2,‎ 1997, p. 95-122 (lien DOI?)
  12. (en) Louis Kauffman, « State models and the Jones polynomial », Topology, no 3,‎ 1987, p. 395-407
  13. (en) Louis Kauffman, On knots, vol. 115, PUP,‎ 1987
  14. Cela implique notamment que \langle D_- \rangle = A\langle D_{\infty} \rangle + A^{-1}\langle D_0 \rangle.
  15. Cromwell 2004, p. 224

Références[modifier | modifier le code]

  • (en) Colin Conrad Adams (en), The Knot Book: An Elementary Introduction to the Mathematical Theory of Knots, W. H. Freeman,‎ 1994
  • (en) Peter Cromwell, Knots and links, Cambridge University Press,‎ 2004
  • (en) Dale Rolfsen, Knots and Links [détail des éditions]
  • (en) Jim Hoste, « The enumeration and classification of knots and links », dans William Menasco et Morwen Thistlethwaite, Handbook of Knot Theory, Elsevier,‎ 2005 (lire en ligne)