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2025-10-09T18:55:06Z

Knoteninvarianten: Sprache vereinfacht

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[[Datei:trefoil.svg|mini|Projektion des [[Kleeblattknoten]]s]]
Die '''Knotentheorie''' ist ein Forschungsgebiet der [[Topologie (Mathematik)|Topologie]]. Sie beschäftigt sich unter anderem damit, die topologischen Eigenschaften von [[Knoten (Knüpfen)|Knoten]] zu untersuchen. Eine Fragestellung ist etwa, ob zwei gegebene Knoten äquivalent sind, also ob sie ineinander überführt werden können, ohne dass dabei die Schnur „zerschnitten“ wird. Die Knotentheorie beschäftigt sich im Gegensatz zur [[Knotenkunde]] nicht mit dem Knüpfen von Knoten in der Praxis, sondern mit mathematischen Eigenschaften von Knoten.

== Mathematische Definition ==
Man nehme ein verknotetes Stück Schnur und verklebe die beiden Enden; in der Fachsprache heißt das Ergebnis eine [[Einbettung (Mathematik)|Einbettung]] der [[Kreis (Geometrie)|Kreislinie]] in den dreidimensionalen Raum.
Zwei Knoten gelten als gleich, wenn sie durch eine stetige Verformung ineinander überführt werden können ([[Isotopie (Topologie)|Isotopie]]).


In der Knotentheorie werden auch Einbettungen von mehreren Kreislinien untersucht; diese nennt man [[Verschlingung]]en (Links).
Eine andere Erweiterung des Themas sind mehrdimensionale Knoten, das heißt Einbettungen der [[Sphäre (Mathematik)|Sphären]] der Dimension <math>n</math> in den <math>n+2</math>-dimensionalen Raum für <math>n>1</math>.

Eine dreidimensionale geschlossene glatte Kurve, die nicht verknotet ist und damit isotop zur Kreislinie, heißt [[Unknoten]] oder trivialer Knoten.

=== Technische Details: zahme Knoten und ambiente Isotopie ===
Streng genommen muss die obige Definition an zwei Stellen nachgebessert werden, um dem herkömmlichen Knotenbegriff zu entsprechen, denn:
* [[Datei:Wild knot.svg|mini|Ein wilder Knoten]] Sie lässt ''wilde'' Knoten zu, d. h. unendlich viele Knoten in einem (endlichen) Stück Schnur.
* Mit einer gewöhnlichen Isotopie kann man einen Knoten so stramm ziehen, dass er verschwindet.<ref>{{Literatur |Autor=Gerhard Burde, [[Heiner Zieschang]] |Titel=Knots |Auflage=2 |Verlag=de Gruyter |Ort=Berlin |Datum=2003 |ISBN=3-11-017005-1 |Seiten=2}}</ref>
Es gibt zwei Wege, diese Probleme zu beheben:
# Man ersetzt Isotopie durch ''ambiente'' Isotopie und beschränkt sich auf ''zahme'' Knoten: Bei einer ambienten Isotopie muss auch der Raum um den Knoten sich stetig deformieren; ein Knoten heißt zahm, falls er zu einem stückweise linearen Knoten ambient isotop ist.<ref>{{Literatur |Autor=Gerhard Burde, [[Heiner Zieschang]] |Titel=Knots |Auflage=2 |Verlag=de Gruyter |Ort=Berlin |Datum=2003 |ISBN=3-11-017005-1 |Seiten=2-3}}</ref>
# Man beschränkt sich auf [[Glatte Funktion|glatte]] Isotopien zwischen glatten Knoten, denn jeder stetig differenzierbare Knoten ist zahm,<ref>{{Literatur |Autor=Richard H. Crowell, [[Ralph Fox (Mathematiker)|Ralph H. Fox]] |Titel=Introduction to Knot Theory |Verlag=Springer |Ort=New York |Datum= |ISBN=0-387-90272-4 |Seiten=5 |Kommentar=Aussage 2.1}}</ref> und jede glatte Isotopie lässt sich zu einer ambienten Isotopie fortsetzen.<ref>{{Literatur |Autor=Florian Deloup |Titel=The fundamental group of the circle is trivial |Sammelwerk=The American Mathematical Monthly |Band=112 |Nummer=5 |Datum=2005-05 |Seiten=417-425 |Kommentar=Theorem 5 |DOI=10.2307/30037492}}</ref>
Beide Lösungen sind äquivalent.<ref>{{Literatur |Autor=Victor V. Prasolov, [[Alexei Bronislawowitsch Sossinski|Alexei B. Sossinsky]] |Titel=Knots, Links, Braids and 3-Manifolds |Reihe=Translations of Mathematical Monographs |BandReihe=154 |Verlag=American Mathematical Society |Ort=Providence, RI |Datum=1997 |ISBN=0-8218-0588-6 |Seiten=8 |Kommentar=§1.3}}</ref> Im Weiteren gelten alle Knoten als zahm.

== Knotendiagramme und Reidemeister-Bewegungen ==
In der Knotentheorie wird ein Knoten oft durch seine [[Projektion (lineare Algebra)|Projektion]] auf eine Ebene dargestellt. Jeder (zahme) Knoten hat eine ''reguläre'' Projektion, d. h. eine Projektion mit nur endlich vielen Doppelpunkten (Kreuzungen)<ref>{{Literatur |Autor=Richard H. Crowell, [[Ralph Fox (Mathematiker)|Ralph H. Fox]] |Titel=Introduction to Knot Theory |Verlag=Springer |Ort=New York |Datum= |ISBN=0-387-90272-4 |Seiten=7 |Kommentar=Aussage 3.1}}</ref>.

Um aus einer Projektion den Knoten rekonstruieren zu können, muss man bei jeder Kreuzung angeben, welcher der beiden Stränge oben bzw. unten liegt. Eine Projektion mit dieser Zusatzinformation nennt man ein ''Knotendiagramm''. Jeder zahme Knoten lässt sich somit durch ein Diagramm darstellen. Ein solches Diagramm ist jedoch nicht eindeutig, denn jeder Knoten lässt sich durch unendlich viele verschiedene Diagramme darstellen. Zum Beispiel ändern die folgenden lokalen Züge zwar das Diagramm, nicht aber den dargestellten Knoten:

{| style="text-align:center"
|+ Die drei Bewegungstypen („Reidemeister-Bewegungen“)
|- style="padding:1em"
| [[Datei:Reidemeister move 1.png|110px|]];     || [[Datei:Reidemeister move 2.png|190px|]];     || [[Datei:Reidemeister move 3.png|320px|]].
|-
|Typ I   || Typ II || Typ III
|}


Diese Züge werden ''[[Reidemeister-Bewegungen]]'' genannt, zu Ehren von [[Kurt Reidemeister]]. Dieser hat 1927 gezeigt, dass diese drei Züge bereits ausreichen:
Zwei Knotendiagramme stellen genau dann den gleichen Knoten dar, wenn sie durch eine endliche Folge von Reidemeister-Bewegungen ineinander überführt werden können.

== Knoteninvarianten ==
Zwei Knoten können sehr unterschiedlich aussehen und trotzdem im obigen Sinne gleich sein. Folglich kann es sehr schwierig sein, die Ungleichheit zweier Knoten direkt nachzuweisen. Deutlich einfacher ist es ''Knoten[[Invariante (Mathematik)|invarianten]]'' zu berechnen, die für gleiche Knoten immer den gleichen Wert haben.<ref>[https://ncatlab.org/nlab/show/knot+invariant Knot Invariant], ncatlab</ref> Eine Knoteninvariante ordnet also jedem Knoten eine Zahl (oder ein Polynom oder eine Gruppe usw.) so zu, dass sich der Wert nicht ändert, wenn man den Knoten im dreidimensionalen Raum stetig deformiert. Diese stetigen Deformationen sind gleichbedeutend mit den oben gezeigten Reidemeister-Zügen.

Beispiele:
* Die ''[[Kreuzungszahl (Knotentheorie)|Kreuzungszahl]]''<ref>{{Literatur |Autor=Charles Livingston |Titel=Knotentheorie für Einsteiger |Verlag=Vieweg |Ort=Braunschweig/Wiesbaden |Datum=1995 |ISBN=3-528-06660-1 |Seiten=116}}</ref> eines Knotens <math>K</math> ist die kleinstmögliche Anzahl von Kreuzungen, die in irgendeinem Knotendiagramm von <math>K</math> vorkommt. Dass die Kreuzungszahl eine Invariante ist, geht bereits aus ihrer Definition hervor; aber die Berechnung ist im Allgemeinen sehr schwer. Für einen [[Alternierender Knoten|alternierenden Knoten]] realisiert das reduzierte Diagramm die Kreuzungszahl.
* [[Alexander-Polynom]], die erste Polynominvariante von Knoten, eingeführt 1923 von [[James Alexander (Mathematiker)|James Alexander]]
* [[HOMFLY-Polynom]]
* Die ''Dreifärbungszahl''<ref>{{Literatur |Autor=Charles Livingston |Titel=Knotentheorie für Einsteiger |Verlag=Vieweg |Ort=Braunschweig/Wiesbaden |Datum=1995 |ISBN=3-528-06660-1 |Kommentar=Abschnitte 3.2 und 3.3}}</ref>: Ein Knotendiagramm besteht aus Bögen und Kreuzungen; an jeder Kreuzung treffen sich drei Bögen. Bei einer ''Dreifärbung'' ordnet man jedem Bogen eine der Farben rot, blau oder grün zu, und zwar so, dass an jeder Kreuzung die drei Bögen entweder drei verschiedene Farben oder dreimal die gleiche Farbe haben. Die ''Dreifärbungszahl'' ist die Anzahl der Dreifärbungen. Mit der Dreifärbungszahl weist man nach, dass der Kleeblattknoten verknotet ist und dass die [[Borromäische Ringe|Borromäischen Ringe]] tatsächlich verlinkt sind.
* Das [[Jones-Polynom]] ordnet jedem Knoten ein [[Laurent-Polynom]] zu. Das Jones-Polynom kann man mit Hilfe von Knotendiagrammen algorithmisch berechnen, indem man für alle Kreuzungen geeignete Terme zu einem Gesamtpolynom addiert. Zur Invarianz genügt es zu zeigen, dass das so konstruierte Polynom invariant unter den drei Reidemeister-Bewegungen ist. Das Jones-Polynom kann den Kleeblatt-Knoten von seinem Spiegelbild unterscheiden. Nach [[Edward Witten]] kann es über [[Observable]] ([[Wilson-Loop]]s) einer dreidimensionalen [[Topologische Quantenfeldtheorie|topologischen Quantenfeldtheorie]] dargestellt werden, der [[Chern-Simons-Theorie]]. Diese Quantenfeldtheorie ist gleichzeitig eine Eichfeldtheorie, und je nach Wahl der Eichgruppe erhält man verschiedene Knoteninvarianten (Alexander-Polynom, HOMFLY-Polynom, Jones-Polynom u. a.).
* Durch ''Kategorifizierung'' des Jones-Polynoms führte [[Mikhail Khovanov]] Ende der 1990er Jahre als neue Knoteninvariante die [[Khovanov-Homologie]] von Links ein. Das Jones-Polynom, HOMFLY-Polynom und Alexander-Polynom sind [[Eulercharakteristik]]en von speziellen Homologien innerhalb der Khovanov-Homologie. Eine Interpretation als topologische Quantenfeldtheorie – diesmal eine [[Supersymmetrie|supersymmetrische]] Eichfeldtheorie in vier Dimensionen – mit der Khovanov-Homologie als Observablen gab Edward Witten.<ref>[https://ncatlab.org/nlab/show/Khovanov+homology Khovanov Homology], ncatlab</ref> [[Catharina Stroppel]] gab eine darstellungstheoretische Interpretation der Khovanov-Homologie durch Kategorifizierung von Quantengruppen-Invarianten. Die Khovanov-Homologie hat auch Verbindungen zur [[Floer-Homologie]]n.
* Das System der [[Vassiliev-Invariante]]n,<ref>[https://mathworld.wolfram.com/VassilievInvariant.html Vassiliev Invariant], Mathworld</ref> eine Reihe unendlich vieler Knoteninvarianten, die um 1990 von [[Wiktor Anatoljewitsch Wassiljew]] (Vassiliev) eingeführt wurden. Während in der üblichen Knotentheorie eine Einbettung der Kreislinie in den <math>\mathbb R^3</math> betrachtet wird – ohne singuläre Punkte – betrachtete Wassiljew die Diskriminante, das heißt das Komplement zum Raum der Knoten im Raum aller Abbildungen von der Kreislinie in den <math>\mathbb R^3</math>. Er betrachtete also die Erweiterung auf singuläre Knoten, was eine unendliche Reihe von Stufen ergibt (nicht singulär, ein Doppelpunkt, zwei Doppelpunkte usw.) Die Wassiljew-Invarianten enthalten die meisten vorher bekannten polynomialen Invarianten. Es ist ein offenes Problem, ob sie vollständig sind, das heißt, die Knoten eindeutig charakterisieren. [[Maxim Kontsevich]] gab eine [[Kontsevichs universelle Knoteninvariante|kombinatorische Interpretation der Vassiliev-Invarianten]]. Sie können auch störungstheoretisch über Chern-Simons-Theorien berechnet werden.

Bis heute ist noch keine einfach berechenbare Knoteninvariante gefunden worden, die alle nicht-äquivalenten Knoten unterscheidet, also für zwei Knoten genau dann identisch ist, wenn diese äquivalent sind. Eine solche zu finden, ist ein wichtiges Ziel der aktuellen Forschung. Es ist auch unbekannt, ob das Jones-Polynom den trivialen Knoten erkennt, also ob es einen nicht-trivialen Knoten gibt, dessen Jones-Polynom gleich dem des trivialen Knoten ist.

== Typen von Knoten ==

* [[Chiraler Knoten|chirale]] und [[Amphichiraler Knoten|amphichirale]] Knoten
* [[Primknoten]] und [[Zusammengesetzter Knoten|zusammengesetzte Knoten]]
* [[Bandknoten]]: Rand einer Scheibe, deren Selbstschnitte nur aus Bandsingularitäten bestehen
* [[Scheibenknoten]]: Rand einer eingebetteten Scheibe im Halbraum <math>\mathbb R^{4}_+</math>
* [[Brezelknoten]]: aus besonders einfachen Tangles zusammengesetzter Knoten
* [[2-Brücken-Knoten]]: Knoten der Brückenzahl <math>2</math>
* [[Torusknoten]]: Knoten, der auf einem unverknoteten Torus gezeichnet werden kann
* [[Hyperbolischer Knoten|hyperbolische Knoten]]: Knoten, dessen Komplement eine [[hyperbolische Mannigfaltigkeit]] ist

== Anwendungen ==
Lange Zeit war die Beschäftigung mit Knoten eher von rein theoretischem Interesse. Mittlerweile existieren aber eine Reihe wichtiger Anwendungen, etwa in der [[Biochemie]] bzw. [[Strukturbiologie]], mit denen überprüft werden kann, ob komplizierte [[Proteinfaltung|Faltungen von Proteinen]] mit anderen [[Protein]]en übereinstimmen. Ähnliches gilt für [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]]. Weitere aktuelle Anwendungen gibt es in der [[Polymerphysik]]. Eine wichtige Stellung nimmt die Knotentheorie in der modernen [[Theoretische Physik|theoretischen Physik]] ein, wo es etwa um Pfade in [[Feynmandiagramm]]en geht.

Die Knotentheorie wird auch in benachbarten Gebieten der Topologie und Geometrie genutzt. Zur Untersuchung 3-dimensionaler Räume sind Knoten sehr nützlich, da sich jede orientierbare geschlossene 3-dimensionale [[Mannigfaltigkeit]] durch [[Dehn-Chirurgie]] an einem Knoten oder einer Verschlingung erzeugen lässt. In der [[Hyperbolische Geometrie|hyperbolischen Geometrie]] spielen Knoten eine Rolle, weil die [[Komplement (Mengenlehre)|Komplemente]] der meisten Knoten in der 3-dimensionalen [[Sphäre (Mathematik)|Sphäre]] <math>S^3</math> eine vollständige hyperbolische Metrik tragen.

== Literatur ==

* Colin C. Adams: ''The Knot Book. An elementary introduction to the mathematical theory of knots.'' 1994; 2004, ISBN 0-8218-3678-1
** ''Das Knotenbuch. Einführung in die mathematische Theorie der Knoten.'' Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1995, ISBN 3-86025-338-7
* Meike Akveld: ''Knoten in der Mathematik. Ein Spiel mit Schnüren, Bildern und Formeln.'' Orell Fuessli, Zürich 2007, ISBN 978-3-280-04050-8
* Gerhard Burde, [[Heiner Zieschang]]: ''Knots.'' de Gruyter, Berlin / New York 1985, ISBN 3-11-008675-1
* Gunnar Hornig: ''[http://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/rbin2_01/natur/Beitrag1/index.html Magnetes Geheimnis].'' In: ''RUBIN – Das Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität Bochum.'' 2/01, S. 6–10, [http://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/rbin2_01/pdf/beitrag1.pdf ruhr-uni-bochum.de] (PDF)
* [[Louis H. Kauffman]]: ''Knots and Physics.'' World Scientific, 1991, ISBN 981-02-0343-8
** ''Knoten. Diagramme, Zustandsmodelle, Polynominvarianten.'' Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1995, ISBN 3-86025-232-1
* Charles Livingston: ''Knotentheorie für Einsteiger'', Vieweg, 1995, ISBN 3-528-06660-1
* Lee Neuwirth: ''Knotentheorie.'' In: ''[[Spektrum der Wissenschaft]].'' August 1979, {{ISSN|0170-2971}} (unter anderem: Modell eines mathematischen Knotens, Beziehungen zwischen Geometrie und Algebra)
* Dale Rolfsen: ''Knots and Links.'' AMS Chelsea Publ., 2003, ISBN 0-8218-3436-3
* [[Alexei Sossinsky]]: ''Nœuds. Genèse d’une théorie mathématique.'' Éditions du Seuil, Paris 1999, ISBN 2-02-032089-4 (''Science Ouverte'').
** ''Mathematik der Knoten.'' Rowohlt-Taschenbuch-Verlag, Reinbek 2000, ISBN 3-499-60930-4

== Weblinks ==
{{Commonscat|Knot theory}}
* Robert G. Scharein: [http://knotplot.com/ ''The KnotPlot Site''.] (Software für interaktives Visualisieren, Manipulieren und Simulieren von mathematischen Knoten)
* C. Livingston, A. H. Moore: [https://knotinfo.math.indiana.edu/ KnotInfo: Table of Knot Invariants]
* Alexander Stoimenow: [http://stoimenov.net/stoimeno/homepage/ptab/index.html Knot data tables]
* Marc Lackenby: [http://people.maths.ox.ac.uk/lackenby/ekt11214.pdf Elementary Knot Theory] (irreführender Titel, es handelt sich um eine Einführung in die aktuelle Forschung)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4164318-5|LCCN=sh85072726|NDL=00567942}}

[[Kategorie:Knotentheorie| ]]
[[Kategorie:Teilgebiet der Mathematik]]

Knotentheorie - Versionsgeschichte

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