环绕数
数学领域术语
数学中,环绕数(linking number)是描述三维空间中两条闭曲线环绕的一个数值不变量。直观上,环绕数表示每一条曲线缠绕另一条曲线的次数。环绕数总是整数,但有可能取正数或负数,取决于这两条曲线的定向。
定义
空间中任何两条闭曲线都恰好可以移动成如下标准位置之一。这决定了环绕数:
每条曲线在移动过程中可以穿过自身,但这两条曲线保持互相分离。
计算环绕数
存在一个算法计算出一个链环图表的环绕数。
正交叉数总数减去负交叉数总数等于环绕数的两倍,即
环绕数
这里n1,n2,n3,n4分别表示四类交叉数的个数。两个和 与 总相等。这样得到了如下另外的公式
环绕数
注意到只涉及到蓝曲线被红曲线下交叉,而只涉及到上交叉。
性质与例子
怀特黑德链环两条曲线环绕数为零。
积分定义
给定两条不交可微曲线,定义从环面到单位球面高斯映射为
取单位球面上一点v,从而链环的正交投影到垂直于v的平面给出一个链环图表。观察到点 (s,t) 在高斯映射下映为v对应于链环图表中一个交叉,这里 在上。并且 (s,t) 的一个邻域在高斯映射下映为v的一个邻域,保持或逆转定向取决于交叉的符号。从而为了计算这个对应于v的链环图表的环绕数,只需数高斯映射覆盖v的带符号次数。由于v是一个正则值,这恰是高斯映射的度数(即 Γ 的像盖住球面的带符号次数)。环绕数的同痕不变性自动由度数在同伦下不变得到。任何其它正则值将得到相同的数,所以环绕数与任何特定的链环图表无关。
曲线γ1与γ2的环绕数的这种表述给出了用二重线积分表示的一个明确公式,即高斯环绕积分:
环绕数
这个积分求出了高斯映射像的全部带符号面积(被积函数是 Γ 的雅可比矩阵),然后除以球面的面积(等于 4π)。
推广
参考资料
最新修订时间:2024-06-19 15:20
目录
概述
定义
计算环绕数
性质与例子
参考资料