NŒUDS (THÉORIE DES)

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Depuis le xixe siècle, les mathématiciens étudient les nœuds, et des objets voisins comme les chaînes ou les tresses, afin de comprendre leur géométrie, de les comparer et de les classer.

Nœuds, chaînes, tresses et polynômes

Intuitivement et mathématiquement, deux nœuds sont dits équivalents si l'on peut déformer l'un pour lui donner la forme de l'autre. Si l'on s'en tient au sens commun, tous les nœuds sont équivalents : on peut toujours défaire un nœud quelconque et le transformer ainsi en un segment, que l'on peut alors renouer pour obtenir n'importe quel autre nœud ! Il en va différemment si l'on recolle au préalable les deux extrémités de la corde.

Par exemple, il semble — mais on sait le démontrer ! — qu'on ne puisse pas passer par déformation continue (c'est-à-dire sans couper la corde) du nœud a au nœud d, alors que c'est possible de a à b ou de a à c. Pour le mathématicien, un nœud est donc une courbe dans l'espace, fermée et sans point double, éventuellement orientée, et une chaîne est un ensemble fini de telles courbes.

Déformation des nœuds

Dessin : Déformation des nœuds

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Les trois premiers nœuds sont équivalents. Le passage de a à b se fait dans le plan par déformation des brins; celui de a à c requiert l'espace; le nœud d ne leur est pas équivalent. 

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Classer les nœuds revient alors à chercher des quantités, invariantes par déformation, permettant de les distinguer les uns des autres. Ces quantités peuvent être des nombres : par exemple l'ordre d'un nœud, défini par P. G. Tait au xixe siècle, est le plus petit nombre de croisements apparaissant sur les diagrammes de ce nœud ; ce qui a conduit, empiriquement, cet auteur à une classification des nœuds jusqu'à l'ordre 7.

Nœud trivial

Dessin : Nœud trivial

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Le nœud trivial. Ces diagrammes possèdent 0, 1 ou 2 croisements, mais ils correspondent en fait au même et unique nœud: le nœud trivial, d'ordre 0; il n'existe donc pas de nœud d'ordre 1 ou 2. 

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Premiers nœuds de la classification de Tait

Dessin : Premiers nœuds de la classification de Tait

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Les premiers nœuds de la classification de Tait. 

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Cette première exploration lui permit notamment de définir les notions de nœuds premiers et de produit de deux nœuds : le produit de deux nœuds s'obtient en coupant chaque nœud et en recollant les extrémités libres.

Produit de deux nœuds

Dessin : Produit de deux nœuds

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Le produit de deux nœuds. 

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Le cercle joue le rôle d'unité pour ce produit. Les nœuds premiers sont ceux qu'on ne peut décomposer en produit de nœuds plus simples et l'on a montré que tout nœud se décompose de façon unique, à l'ordre près, en produit de nœuds premiers. Il suffit donc d'étudier ceux-ci. La classification des nœuds premiers est aujourd'hui connue jusqu'à l'ordre 13 : il en existe 12 965 et D. W. Summers a montré que le nombre d [...]


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Déformation des nœuds

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Nœud trivial

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Premiers nœuds de la classification de Tait

Premiers nœuds de la classification de Tait
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Produit de deux nœuds

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Écrit par :

  • : chef du département mathématique et informatique du Palais de la Découverte

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Jean BRETTE, « NŒUDS (THÉORIE DES) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 18 septembre 2020. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/noeuds-theorie-des/