В математике кольца Борромео [ а] — это три простые замкнутые кривые в трёхмерном пространстве, которые топологически связаны и не могут быть отделены друг от друга, но распадаются на две незавязанные и несвязанные петли, когда любая из трёх разрезана или удаленный. Чаще всего эти кольца изображаются в виде трех кругов на плоскости по образцу диаграммы Венна , попеременно пересекающихся друг над другом и под друг другом в точках пересечения. Говорят, что другие тройки кривых образуют кольца Борромео, если они топологически эквивалентны кривым, изображенным на этом рисунке.
Кольца Борромео названы в честь итальянского Дома Борромео , который использовал круглую форму этих колец как элемент своего герба , но конструкции, основанные на кольцах Борромео, использовались во многих культурах, в том числе у скандинавов и в Японии. . Они использовались в христианской символике как знак Троицы , а в современной торговле как логотип пива Ballantine , что дало им альтернативное название «кольца Ballantine» . Физические экземпляры колец Борромео были созданы из связанных ДНК или других молекул, и у них есть аналоги в состоянии Ефимова и ядрах Борромео , оба из которых имеют три компонента, связанных друг с другом, хотя никакие два из них не связаны.
Геометрически кольца Борромео могут быть реализованы посредством связанных эллипсов или (используя вершины правильного икосаэдра ) связанных золотых прямоугольников . Их невозможно реализовать с помощью окружностей в трехмерном пространстве, но высказано предположение, что их можно реализовать с помощью копий любой некруговой простой замкнутой кривой в пространстве. В теории узлов можно доказать, что кольца Борромео зацеплены, подсчитав их n -раскраски Фокса . В качестве связей они бывают брунновскими , знакопеременными , алгебраическими и гиперболическими . В арифметической топологии некоторые тройки простых чисел обладают свойствами зацепления, аналогичными кольцам Борромео.
В математических публикациях кольца Борромео часто определяются как диаграмма связей , рисунок кривых на плоскости с отмеченными пересечениями, указывающими, какая кривая или часть кривой проходит выше или ниже при каждом пересечении. Такой рисунок можно преобразовать в систему кривых в трехмерном пространстве, вложив плоскость в пространство и деформировав нарисованные на нем кривые выше или ниже вложенной плоскости при каждом пересечении, как указано на схеме. Обычно используемая диаграмма колец Борромео состоит из трех равных кругов с центрами в точках равностороннего треугольника , достаточно близко друг к другу, чтобы их внутренние части имели общее пересечение (например, на диаграмме Венна или трех кругов, используемых для определения треугольника Рело). ). Его пересечения чередуются сверху и снизу, если рассматривать их последовательно вокруг каждого круга; [2] [3] [4] Еще один эквивалентный способ описания отношения «над-под» между тремя кругами состоит в том, что каждый круг проходит над вторым кругом в обоих их пересечениях и под третьим кругом в обоих их пересечениях. [5] Два звена называются эквивалентными, если существует непрерывная деформация пространства ( объемлющая изотопия ), переводящая одно в другое, и кольца Борромео могут относиться к любому звену, эквивалентному в этом смысле стандартной диаграмме для этого звена. . [4]
В «Атласе узлов» кольца Борромео обозначены кодом «L6a4»; обозначение означает, что это ссылка с шестью пересечениями и чередующейся диаграммой, четвертая из пяти чередующихся звеньев с 6 пересечениями, определенных Морвен Тистлтуэйт в списке всех простых ссылок , содержащих до 13 пересечений. [6] В таблицах узлов и звеньев в книге Дейла Рольфсена « Узлы и звенья » 1976 года , расширяющей более ранние списки Александра и Бриггса, сделанные в 1920-х годах, кольцам Борромео были присвоены обозначения Александера-Бриггса «6».3
2", что означает, что это вторая из трех 6-пересекающихся 3-компонентных связей, которые будут перечислены. [6] [7] Обозначение Конвея для колец Борромео, ".1", представляет собой сокращенное описание стандартной диаграммы зацеплений для эта ссылка [8]
Название «кольца Борромео» происходит от использования этих колец в форме трех связанных кругов на гербе аристократической семьи Борромео в Северной Италии . [9] [10] Само звено намного старше и появилось в форме валкнута , трех соединенных равносторонних треугольников с параллельными сторонами, на скандинавских камнях с изображениями, датируемыми 7 веком. [11] Храм Омива в Японии также украшен мотивом колец Борромео в их традиционной круглой форме. [2] Каменный столб в храме Марундисварар VI века в Индии изображает три равносторонних треугольника, повернутых друг относительно друга, образуя правильную эннеаграмму ; подобно кольцам Борромео, эти три треугольника связаны, а не попарно, [12] но эта схема пересечения описывает другую связь, чем кольца Борромео. [13]
Кольца Борромео использовались в разных контекстах для обозначения силы единства. [14] В частности, некоторые использовали этот дизайн как символ Троицы . [3] Французская рукопись 13-го века, изображающая кольца Борромео, помеченные как единство в троице, была потеряна во время пожара в 1940-х годах, но воспроизведена в книге 1843 года Адольфом Наполеоном Дидроном . Дидрон и другие предположили, что описание Троицы как трех равных кругов в песне 33 « Рая » Данте было вдохновлено похожими изображениями, хотя Данте не детализирует геометрическое расположение этих кругов. [15] [16] Психоаналитик Жак Лакан нашел вдохновение в кольцах Борромео как модели для своей топологии человеческой субъективности, причем каждое кольцо представляет собой фундаментальный лакановский компонент реальности («реальный», «воображаемый» и « символично»). [17]
Кольца использовались в качестве логотипа пива Ballantine и до сих пор используются в пиве марки Ballantine, которое сейчас распространяется нынешним владельцем бренда, Pabst Brewing Company . [18] [19] По этой причине их иногда называют «кольцами Баллантайна». [3] [18]
Первой работой по теории узлов , включавшей кольца Борромео, был каталог узлов и связей, составленный в 1876 году Питером Тейтом . [3] В развлекательной математике кольца Борромео были популяризированы Мартином Гарднером , который представил поверхности Зейферта для колец Борромео в своей колонке « Математические игры » в сентябре 1961 года в журнале Scientific American . [19] В 2006 году Международный математический союз решил на 25-м Международном конгрессе математиков в Мадриде, Испания, использовать новый логотип, основанный на кольцах Борромео. [2]
В средневековой и ренессансной Европе ряд визуальных знаков состоит из трех элементов, переплетенных между собой так же, как кольца Борромео показаны переплетенными (в их обычном двумерном изображении), но с отдельными элементами, не представляющими собой замкнутые петли. Примерами таких символов являются каменные рога Шнолделева [20] и полумесяцы Дианы Пуатье . [3]
Некоторые связи теории узлов содержат несколько конфигураций колец Борромео; одно пятипетлевое звено этого типа используется в качестве символа в дискордианстве , основанном на изображении в Principia Discordia . [21]
В теории узлов кольца Борромео являются простым примером брунновской связи , связи, которую невозможно разделить, но которая распадается на отдельные незавязанные петли, как только удаляется какой-либо из ее компонентов. Существует бесконечно много брунновских звеньев и бесконечно много брунновских звеньев с тремя кривыми, из которых простейшими являются кольца Борромео. [13] [22]
Есть несколько способов увидеть, что кольца Борромео связаны. Один из них — использовать n -раскраски Фокса , раскраски дуг диаграммы связей с целыми числами по модулю n, так что при каждом пересечении два цвета на нижнем пересечении имеют то же среднее значение (по модулю n ), что и цвет пересекающей дуги, и чтобы использовалось как минимум два цвета. Число раскрасок, удовлетворяющих этим условиям, является инвариантом узла и не зависит от выбранной для связи диаграммы. Тривиальное звено с тремя компонентами имеет раскраски, полученные из его стандартной диаграммы путем выбора цвета независимо для каждого компонента и отбрасывания раскрасок, использующих только один цвет. С другой стороны, для стандартной диаграммы колец Борромео одни и те же пары дуг встречаются в двух точках пересечения, в результате чего пересекающие их дуги имеют одинаковый цвет друг с другом, из чего следует, что единственные раскраски, которые соответствуют условия пересечения нарушают условие использования более чем одного цвета. Поскольку тривиальное звено имеет множество допустимых раскрасок, а кольца Борромео — ни одной, они не могут быть эквивалентными. [4] [23]
Кольца Борромео представляют собой чередующееся звено , поскольку их обычная диаграмма звеньев имеет пересечения, которые поочередно проходят над и под каждой кривой, по порядку вдоль кривой. Они также являются алгебраической связью , связью, которую можно разложить сферами Конвея на 2-клубки . Это простейшее знакопеременное алгебраическое звено, не имеющее диаграммы, являющейся одновременно знакопеременным и алгебраическим. [24] Из гипотез Тейта следует , что число пересечений колец Борромео (наименьшее количество пересечений в любой из их диаграмм зацепления) равно 6, числу пересечений в их знакопеременной диаграмме. [4]
Кольца Борромео обычно рисуются так, что их кольца проецируются на круги в плоскости рисунка, но трехмерные круговые кольца Борромео являются невозможным объектом : невозможно сформировать кольца Борромео из кругов в трехмерном пространстве. [4] В более общем плане Майкл Х. Фридман и Ричард Скора (1987) доказали с помощью четырехмерной гиперболической геометрии , что ни одна брунновская связь не может быть точно круговой. [25] Для трех колец в их обычном расположении Борромео это можно увидеть из рассмотрения диаграммы связей . Если предположить, что две окружности соприкасаются в двух точках пересечения, то они лежат либо на плоскости, либо на сфере. В любом случае третий круг должен пройти через эту плоскость или сферу четыре раза, не лежа в ней, что невозможно. [26] Другой аргумент в пользу невозможности круговых реализаций, предложенный Хельге Твербергом , использует инверсную геометрию для преобразования любых трех кругов так, что один из них становится линией, что упрощает утверждение, что два других круга не соединяются с ним, образуя кольца Борромео. [27]
Однако кольца Борромео можно реализовать с помощью эллипсов. [2] Их можно считать имеющими сколь угодно малый эксцентриситет : независимо от того, насколько близкой к круглой может быть их форма, пока они не являются идеально круглыми, они могут образовывать борромеевские звенья, если их правильно расположить. Реализацию колец Борромео тремя взаимно перпендикулярными золотыми прямоугольниками можно найти внутри правильного икосаэдра , соединив три противоположные пары его ребер. [2] Каждые три незавязанных многоугольника в евклидовом пространстве могут быть объединены после подходящего масштабного преобразования для формирования колец Борромео. Если все три полигона плоские, то масштабирование не требуется. [28] В частности, поскольку кольца Борромео могут быть реализованы тремя треугольниками, минимальное количество сторон возможно для каждой из его петель, количество палочек колец Борромео равно девяти. [29]
В более общем плане Мэтью Кук предположил , что любые три незавязанные простые замкнутые кривые в пространстве, а не все круги, можно объединить без масштабирования, чтобы сформировать кольца Борромео. После того, как Джейсон Кантарелла предложил возможный контрпример, Хью Нельсон Ховардс ослабил гипотезу и стал применять ее к любым трем плоским кривым, которые не являются кругами. С другой стороны, хотя брунновских звеньев с тремя звеньями бесконечно много, кольца Борромео — единственные, которые можно составить из трёх выпуклых кривых. [28]
В теории узлов длина узла или звена — это наименьшая длина гибкой веревки (радиуса один), которая может его реализовать. Математически такую реализацию можно описать гладкой кривой, трубчатая окрестность которой радиусом один избегает самопересечений. Минимальная длина веревки колец Борромео не доказана, но наименьшее достигнутое значение реализуется тремя копиями двухлепестковой плоской кривой. [2] [30] Хотя он напоминает более раннего кандидата на минимальную длину каната, построенного из четырех круговых дуг радиуса два, [31] он немного отличается от этой формы и состоит из 42 гладких частей, определяемых эллиптическими интегралами , что делает его короче на доли процента, чем кусочно-круговая реализация. Именно эта реализация, призванная минимизировать длину веревки, была использована для логотипа Международного математического союза . Его длина равна , а наиболее доказанная нижняя граница длины равна . [2] [30]
Для дискретного аналога длины веревки, кратчайшего представления, использующего только ребра целочисленной решетки , минимальная длина колец Борромео равна точно . Это длина представления с помощью трех целочисленных прямоугольников, вписанных в икосаэдр Джессена так же, как представление золотыми прямоугольниками вписано в правильный икосаэдр. [32]
Кольца Борромео являются гиперболическими зацеплениями : пространство, окружающее кольца Борромео (их дополнение зацепления ), допускает полную гиперболическую метрику конечного объема. Хотя сейчас гиперболические связи считаются многочисленными, кольца Борромео были одним из первых примеров, гиперболические которые были доказаны в 1970-х годах, [33] [34] , и это дополнение ссылок было центральным примером в видео Not Knot , выпущенном в 1991 году Геометрический центр . [35]
Гиперболические многообразия каноническим образом можно разложить на склейки гиперболических многогранников (разложение Эпштейна–Пеннера), а для дополнения Борромео это разложение состоит из двух идеальных правильных октаэдров . [34] [36] Объем дополнения Борромео равен где – функция Лобачевского и – константа Каталана . [36] Дополнение к кольцам Борромео универсально в том смысле, что каждое замкнутое 3- многообразие является разветвленным накрытием над этим пространством. [37]
В арифметической топологии существует аналогия между узлами и простыми числами , в которой рассматриваются связи между простыми числами. Тройка простых чисел (13, 61, 937) связаны по модулю 2 (символ Редеи равен -1), но попарно несвязаны по модулю 2 ( все символы Лежандра равны 1). Поэтому эти простые числа были названы «собственной тройкой Борромео по модулю 2» [38] или «простыми числами Борромео по модулю 2». [39]
Узел «кулак обезьяны», по сути, представляет собой трехмерное представление колец Борромео, хотя в большинстве случаев и трехслойное. [40] Скульптор Джон Робинсон создал произведения искусства из трех равносторонних треугольников , сделанных из листового металла , соединенных в кольца Борромео и напоминающих трехмерную версию валькнута. [13] [29] Обычная конструкция складного деревянного штатива состоит из трех частей, вырезанных из цельного куска дерева, причем каждая часть состоит из двух отрезков дерева, ножек и верхних сторон штатива, соединенных двумя сегментами древесина, окружающая удлиненное центральное отверстие в детали. Еще одна из трех частей проходит через каждое из этих отверстий, соединяя три части вместе в виде колец Борромео. Штативы этой формы были описаны как результат индийских или африканских ручных ремесел. [41] [42]
В химии молекулярные кольца Борромео являются молекулярными аналогами колец Борромео, которые представляют собой механически взаимосвязанные молекулярные конструкции . В 1997 году биолог Чэндэ Мао и его коллеги из Нью-Йоркского университета сумели сконструировать набор колец из ДНК . [43] В 2003 году химик Фрейзер Стоддарт и его коллеги из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе использовали координационную химию , чтобы построить набор колец за один этап из 18 компонентов. [44] Кольцевые структуры Борромео использовались для описания кластеров благородных металлов, экранированных поверхностным слоем тиолатных лигандов. [45] Библиотека сетей Борромео была синтезирована по проекту Джузеппе Реснати и его коллег посредством самосборки, управляемой галогенными связями . [46] Чтобы получить доступ к молекулярному кольцу Борромео, состоящему из трех неравных циклов, Джей С. Сигел и его коллеги предложили пошаговый синтез. [47]
В физике квантово-механический аналог колец Борромео называется состоянием гало или состоянием Ефимова и состоит из трёх связанных частиц, не связанных попарно. Существование таких состояний было предсказано физиком Виталием Ефимовым в 1970 году и подтверждено многочисленными экспериментами, начавшимися в 2006 году. [48] [49] Это явление тесно связано с ядром Борромео , стабильным атомным ядром, состоящим из трех групп частиц. это было бы нестабильно в парах. [50] Другой аналог колец Борромео в квантовой теории информации предполагает запутанность трёх кубитов в состоянии Гринбергера-Хорна-Цайлингера . [14]
на камне также есть изображения трех переплетенных рогов.