Nodi e circuiti elettrici
[mi sono impegnato per renderlo digeribile a tutti, per cui non accetto scuse]
Nodi e numeretti magici
Prendete una corda, attorcigliatela e annodatela a piacere, saldate le due estremità. Appoggiandola su un piano otterrete una figura del tipo

fig.1: l’immagine di un nodo (dove il tratto si interrompe, la corda passa sotto)
Ora riprendete la corda in mano e senza aprirne le estremità attorcigliatela ancora un po’. Rimettendola sul piano l’immagine ottenuta sarà molto diversa, magari più complicata, con più incroci e annodamenti; o magari può essersi "sciolto". Però il nodo è sostanzialmente quello di prima, visto che non avete aperto la corda. Come fare a decidere se diverse immagini sul piano corrispondono allo stesso nodo?
Non tutti i nodi sono uguali. Per esempio considerate il nodo semplice, il primo che fate quando volete allacciarvi le scarpe, o meglio, considerate la cordina allacciata dei pantaloncini, ma senza pantaloncini. Saldate nuovamente le due estremità: ottenete un nodo che per quanto lo rigiriate non diventerà mai un semplice "anello": da qualche parte qualche incrocio riaffiorerà sempre. Adesso immaginate di completare l’allacciatura, ottenendo il nodo con i due "fiocchetti", e saldate la corda. Esperienza insenga che tirando uno dei lembi di corda entranti nel nodo, questo si scioglie restituendovi il caro vecchio nodo semplice. Cioè, considerando come il nodo "spezzetta" lo spazio, cioè in senso "topologico", il nodo con i fiocchetti è lo stesso del nodo semplice, e i due sono riconducibili l’uno nell’altro con un semplice movimento che non richiede di aprire la corda.
La mossa che avete fatto si chiama la II mossa di Redemeister. Le mosse di Redemeister sono tre movimenti estremamente semplici che consentono di modificare l’immagine sul piano di un nodo senza spezzare la corda. Due immagini corrispondono allo stesso nodo se si possono trasformare l’una nell’altro solo tramite mosse di Redemeister. Un nodo è irriducibile se non è possibile fare mosse di Redemeister. Per esempio, il nodo semplice è irriducibile.
Ecco le mosse di Redemeister. Piuttosto ovvie.
fig.2: le tre mosse di Redemeister (da completare con le simmetriche)
Una domanda che sorge spontanea ad un matematico che studia nodi e links (= nodi tra più corde chiuse, concatenate) è: posso associare all’immagine sul piano di un link dei numeretti (detti invarianti) che non cambiano quando faccio le mosse di Redemeister? Questo sarebbe importantissimo, perché allora sapremmo che due immagini con diversi invarianti non possono essere ricondotte l’una nell’altra. Non avremmo bisogno di perdere la testa con le mosse di Redemeister: basta calcolare i numeretti, e se non sono uguali possiamo mettercela in tasca.
La risposta a questa domanda è si! Un famoso invariante è il polinomio di Jones, che si ottiene come caso particolare da un altro importante polinomio, detto le parentesi di Kaufmann. Anche se a diversi invarianti corrispondono diversi nodi, non è detto però che diversi nodi abbiano diversi invarianti. Per questo bisogna inventarsi altri invarianti dei nodi, sempre più "personalizzati". Tutta una classe di invarianti è stata individuata da Witten tramite applicazione della teoria di Chern-Simons quantistica… ma questa è un’altra storia. Qui (per ora) non siamo molto interessati a questi numeretti magici.
Grafi e nodi
Un grafo (planare) è una cosa sostanzialmente diversa da un link (leggete pure nodo se "link" non vi piace). In pratica un grafo planare è una collezioni di punti su un piano (meglio detti vertici) e linee tra punti (meglio dette rami), che non si intersecano se non in un punto. I grafi trovano applicazioni in molte branche della fisica; per esempio, se ad ogni ramo viene associata una resistenza, applicando voltaggi ai nodi si ottengono correnti elettriche stazionarie che si bilanciano ad ogni vertice (legge di Kirkhoff). La teoria dei grafi permette di risolvere il sistema elettrico. Un’altra applicazione è lo studio delle diffusioni su network: immaginate un ubriaco che cammina per una città piuttosto intricata, prendendo vie a caso. Poniamoci la domanda: "che probabilità c’è che arrivi in un certo punto della città, partendo da un certo altro punto? ". Questo è l’oggetto della teoria delle diffusioni. Più interessante ancora diventa il problema se ad ogni via, e ad ogni direzione di una via, corrisponde una probabilità diversa di percorrenza (mettete che una sia in discesa, che una sia stretta e angusta, che in una le auto siano parcheggiate sul marciapiede… tutto questo influisce sulle scelte dell’ubriaco).
fig.3: un grafo (ATTENZIONE: non è planare, anche se non sembra) e un grafo orientato.
Per modellizzare tutto ciò, quindi, nei casi più semplici ci può bastare la struttura del grafo, mentre a volte dovremo considerare grafi pesati, con numeri associati ad ogni ramo, grafi orientati, con orientazioni assegnate per ogni ramo, grafi con pesi diversi nelle diverse orientazioni. In questo post però parlerò solo di grafi segnati, ossia i cui rami possono portare un valore +1 o -1. In futuro parlerò anche degli altri (ah, queste promesse…).
Anche se grafi planari e immagini dei nodi vivono nel piano, non è affatto ovvio che ci sia una relazione tra i due. Per esempio: gli incroci di un nodo coinvolgono sempre quattro lembi di corda, mentre da un vertice di un grafo possono uscire quanti rami desideriate. Eppure esiste un modo di associare un unico link ad un grafo planare segnato, detto il grafo mediale del link, e viceversa.
La costruzione non è semplicissima, e un esempio è più chiaro di mille parole:

fig.4: trasformazione di un grafo in un nodo e di un nodo in un grafo
La prima riga in fig.4 mostra la trasformazione di un grafo planare nell’immagine di un nodo: ad ogni ramo corrisponde un incrocio; uscendo da un incrocio la corda supera il primo vertice che incontra e si riallaccia al primo lembo di corda ad un incrocio disponibile. La costruzione è del tutto rigorosa, e si può trovare in Bollobas, Modern Graph Theory, e nel magnifico articolo di Kaufmann A Tutte Polynomial for Signed Graphs (Per i Matematici: lo scopo di Kaufmann in particolare è quello di estendere la definizione del polinomio di Tutte, che contiene l’informazione topologica sul grafo ed è ben definito per grafi non orientati, pesati o no, a grafi segnati; e lo fà tramite una meravigliosa corrispondenza tra il polinomio di Tutte e le parentesi di Kaufmann.)
Esiste anche una trasformazione inversa (seconda riga in figura). Si colora di nero alternatamente le aree dell’immagine del nodo in maniera tale che lo sfondo sia bianco e che due aree confinanti abbiano colori diversi, e ad ognuna di quelle nere si associa un vertice del grafo; aree che spartiscono un incrocio sono collegate da un ramo. Il fatto che esista una trasformazione inversa implica che c’è una corrispodenza uno-a-uno tra la categoria dei grafi planari e la categoria delle immagini dei nodi.
Ma come introdurre anche l’informazione su quale corda passa sopra e quale passa sotto ad un incrocio? Per questo abbiamo bisogno di grafi segnati: siccome ad un ramo corrisponde un incrocio, e l’incrocio può esistere in due stati (corda passa sopra/corda passa sotto), bisogna introdurre un doppio stato anche per il ramo; per questo introduciamo il segno + o -. Come si fà ad assegnare univocamente un segno ad un tipo di incrocio?
fig.5: orientazioni di un incrocio.
Sovrapponete l’incrocio al ramo (tratteggiato). Ruotate la corda che passa sopra in senso antiorario; se l’area spazzata comprende il ramo (primo caso in fig.5), allora associate un segno +; altrimenti un segno -. E viceversa.
Ora abbiamo un modo per associare biunivocamente l’immagine di un nodo ad un grafo segnato. Ecco un paio di semplici esempi:
fig.6: corrispondenza tra due grafi segnati e due immagini di nodi
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