Ну и на этом я рассказ "о красивых картинках", наверное, завершу.

В продолжение темы про узлы — байка про трёхцветные раскраски.

Как можно доказывать, что узел (формально, вложение окружности в R^3) нельзя развязать? Или что два узла различны?

Самый естественный подход — нужен какой-нибудь инвариант. И почти всегда инвариант строится не по узлу в R^3, а по его диаграмме — "узлу, вид сверху".

Вот взятая из Википедии таблица узлов с небольшим числом перекрёстков:

Так вот, самый простой в определении инвариант — это число правильных трёхцветных раскрасок.

А именно, раскрасим диаграмму узла в три цвета (красный, синий, зелёный) — раскрашивая каждую связную компоненту (от одного ныряния "под" перекрёсток до другого) в один цвет.

Определение: раскраска называется правильной, если для каждого перекрёстка (в котором встречаются две "ныряющие вниз" компоненты и одна, проходящая поверху) мы в нём видим либо все три цвета, либо только один.

Пример: правильная раскраска трилистника (image credit: Wikipedia)

Теорема. Число правильных раскрасок — инвариант узла.

Как такое нужно доказывать? Как обычно: показывать, что в процессе перехода от одного узла к другому он не меняется.

Процесс деформации (гомотопии) одного узла в другой с точки зрения диаграмм разбивается на конечное число _движений Редемейстера_:

(image credit: Wolfram Mathworld, http://mathworld.wolfram.com/ReidemeisterMoves.html )

Соответственно, нужно доказать, что каждое такое движение не изменяет числа трёхцветных раскрасок.

Как нас учат специалисты по комбинаторике, лучше всего равенство натуральных чисел доказывается биекцией. Так вот — между трёхцветными раскрасками есть биекция, сохраняющая раскраску вне перестраиваемой области (а легко видеть, что внутрь области перестройки раскраска всегда продолжается не более чем одним способом).

Например:

Правда, проверять такое утверждение напрямую грустно: нужно для всех возможных наборов входящих снаружи цветов проверить, что либо одновременно внутрь продолжится, либо не продолжится, и это довольно много вариантов.

Ну или нужно сказать, что при данных цветах сверху, продолжая через картинку, мы и в том, и в другом случае получим всегда одни и те же цвета снизу — что уже более разумно, но всё ещё остаётся каким-то странным перебором.