Involuutiosymmetriat C s , (*) [ ] = |
Syklinen symmetria C nv , (*nn) [n] = |
Dihedraalinen symmetria D nh , (*n22) [n,2] = | |
Polytooppiryhmät , [n,3], (*n32) | |||
---|---|---|---|
Tetraedinen symmetria Td , (*332) [3,3] = |
Oktaedrisymmetria O h , (*432) [4,3] = |
Ikosaedrisymmetria I h , (*532) [5,3] = |
Pisteryhmä kolmiulotteisessa avaruudessa on ryhmä isometrioita kolmiulotteisessa avaruudessa, joka ei siirrä origoa, tai pallon isometrioiden ryhmä . Ryhmä on ortogonaalisen ryhmän O(3) alaryhmä , kaikkien isometrioiden ryhmä, jotka jättävät origon kiinteäksi, tai vastaavasti ortogonaalisten matriisien ryhmä . O(3) on itse euklidisen ryhmän E (3)kolmiulotteisen avaruuden liikkeistä .
Objektien symmetriaryhmät ovat isometriaryhmiä. Näin ollen isometriaryhmien analyysi on mahdollisten symmetrioiden analyysiä . Kaikilla rajoitetun 3D-objektin isometrioilla on yksi tai useampi kiinteä piste (jotka eivät muuta sijaintia symmetrian vuoksi). Valitsemme alkuperän yhdeksi näistä kohdista.
Objektin symmetriaryhmää kutsutaan joskus täydeksi symmetriaryhmäksi, toisin kuin sen rotaatioryhmä tai oma symmetriaryhmä , kolmiulotteisen avaruuden täyden symmetriaryhmän ja SO(3) -kiertoryhmän leikkauspiste. Objektin rotaatioryhmä on sama kuin sen täysi symmetriaryhmä silloin ja vain, jos kohde on kiraalinen .
Pisteryhmiä kolmiulotteisessa avaruudessa käytetään laajasti kemiassa, erityisesti kuvattaessa molekyylin ja kovalenttisia sidoksia muodostavien molekyyliorbitaalien symmetriaa , ja tässä yhteydessä näitä ryhmiä kutsutaan molekyylipisteryhmiksi .
Äärilliset Coxeter-ryhmät ovat erityinen joukko pisteryhmiä, jotka muodostuvat joukosta peilitasoja, jotka leikkaavat yhdessä pisteessä. Coxeter-ryhmässä, jonka arvo on n , on n peiliä ja se esitetään Coxeter-Dynkin-kaaviolla . Coxeterin merkintä tarjoaa Coxeterin kaaviota vastaavan hakasulkumerkinnän, jossa on rotaatio- ja muiden pistesymmetrian alaryhmien merkintäsymbolit.
SO(3) on E + (3) aliryhmä , joka koostuu suorista isometrioista ts. suuntaa säilyttävät isometrit . Se sisältää tämän ryhmän isometrioita jättäen origon liikkumatta.
O(3) on SO(3):n ja keskussymmetrian muodostaman ryhmän suora tulo :
O(3) = SO(3) × { I , − I }Siten on 1-1-vastaavuus kaikkien suorien isometrien ja epäsuorien isometrien välillä, jotka on saatu keskussymmetrialla. Kaikkien O(3):n H :n suorien isometriaryhmien ja O(3):n kaikkien K :n isometriaryhmien välillä on myös 1-1-vastaavuus, jotka sisältävät keskusinversion:
K = H × { I , − I } H = K ∩ SO(3)Esimerkiksi, jos H on C2 - ryhmä , niin K on yhtä suuri kuin C2h . Jos H on C3 - ryhmä , niin K on yhtä suuri kuin S6 . (Katso alta näiden ryhmien määritelmä.)
Jos suoralla isometriaryhmällä H on alaryhmä L , jonka indeksi on 2, niin keskussymmetrian sisältävän ryhmän lisäksi on myös vastaava ryhmä, joka sisältää epäsuoria isometrioita, mutta ei sisällä keskussymmetriaa:
M = L ∪ ( ( H \ L ) × { − I } ),jossa isometria ( A , I ) tunnistetaan A :lla. Esimerkki olisi C4 H : lle ja S4 M : lle .
Siten M saadaan H :sta H \ L :n isometrioiden keskussymmetrian avulla . Tämä ryhmä M on abstrakti ryhmä, joka on isomorfinen H :n kanssa . Päinvastoin, kaikille isometriaryhmille, jotka sisältävät epäsuoraa isometriaa, mutta ei keskussymmetriaa, voimme saada kiertoryhmän soveltamalla keskussymmetriaa epäsuoriin isometrioihin.
Kahdessa ulottuvuudessa syklinen kiertojen ryhmä luokkaa k C k (kierrokset kulman läpi 180°/ k ) mille tahansa positiiviselle kokonaisluvulle k on O(2, R ) ja SO(2, R ) aliryhmä. Vastaavasti kolmiulotteisessa avaruudessa millä tahansa akselilla syklinen k -kertainen akselin ympäri kiertävien kierrosten ryhmä on kaikkien akselin ympäri kiertävien pyörien normaali aliryhmä. Koska mikä tahansa alaryhmä, jolla on indeksi kaksi, on normaali, kiertoryhmä ( C n ) on normaali sekä ryhmässä, joka saadaan lisäämällä peilisymmetriat tasoista, jotka sisältävät akselit ( C nv ), että ryhmässä, joka saadaan lisäämällä peilisymmetriat tasoihin nähden, jotka ovat kohtisuorassa akselia vastaan. akselit ( C nh ).
Avaruuden R 3 isometriat, jotka jättävät origon kiinteäksi ja muodostavat ryhmän O( 3 , R ), voidaan jakaa ryhmiin seuraavasti:
Etenkin 4. ja 5. isometriaa ja laajemmin myös 6:tta kutsutaan virheellisiksi rotaatioiksi .
Jos kahden kohteen symmetriaa verrataan, niin kunkin kohteen koordinaattien origo valitaan erikseen, ts. niillä ei välttämättä ole sama keskusta. Lisäksi kohteilla katsotaan olevan samantyyppinen symmetria, jos niiden symmetriaryhmät ovat ryhmän O(3) konjugoituja ryhmiä (G:n kaksi alaryhmää H 1 ja H 2 ovat konjugoituja, jos on olemassa g ∈ G siten, että H 1 = g −1 H 2 g ).
Esimerkiksi kahdella 3D-objektilla on samantyyppinen symmetria, jos
Useiden symmetriatasojen ja/tai kiertoakselien tapauksessa kaksi symmetriaryhmää ovat samaa tyyppiä, jos ja vain jos on rotaatio, joka kartoittaa ensimmäisen symmetriaryhmän koko rakenteen toiseen. (Itse asiassa voi olla useampi kuin yksi kierto, mutta ei ääretöntä määrää). Konjugaation määritelmä mahdollistaa myös rakenteen peilaamisen, mutta tämä ei ole välttämätöntä, koska rakenne itsessään on kiraalinen. Esimerkiksi jos symmetriaryhmä sisältää akselin, jonka luokka on 3, se sisältää kiertoja kahdessa vastakkaisessa suunnassa (rakenne on kiraalinen 11 parille kierteisen akselin omaavia kristallografisia ryhmiä ).
On olemassa monia äärettömiä isometriaryhmiä, esimerkiksi " syklinen ryhmä " (oletetaan olevan ryhmä, jonka muodostaa yksittäinen elementti - ei pidä sekoittaa vääntöryhmään ), joka muodostuu irrationaalisesta kiertoliikkeestä akselin ympäri. Voimme luoda ei-syklisiä Abelin ryhmiä lisäämällä lisäkäänteitä saman akselin ympärille. On myös ei-abelilaisia ryhmiä, jotka muodostuvat pyörittämällä eri akseleita. Ne ovat yleensä (yleensä) ilmaisia ryhmiä . Ne ovat äärettömiä, jos et halua pyörittää tietyllä tavalla.
Kaikki tähän asti mainitut äärettömät ryhmät eivät ole suljettuja ryhmän O(3) topologisina alaryhminä .
Täysi ryhmä O(3) on pallosymmetriaryhmä . SO(3) on vastaava kiertoryhmä. Muut äärettömät isometriaryhmät koostuvat kaikista kierroksista origon kautta kulkevan akselin ympäri ja samasta kierrosta lisäpeilisymmetrialla tämän akselin läpi kulkevien tasojen ympäri ja/tai peilisymmetrialla origon kautta kulkevan tason ympäri, joka on kohtisuorassa akseliin nähden. Nämä ryhmät, joissa peilit kulkevat akselin läpi, tai ilman, että peili kulkee origon läpi ja ovat kohtisuorassa akseliin nähden, ovat symmetriaryhmiä kahdelle lieriömäiselle symmetriatyypille . Huomaa, että kaikilla fysikaalisilla objekteilla, joilla on ääretön kiertosymmetria, on myös peilisymmetria suhteessa akselin läpi kulkeviin tasoihin.
3-ulotteisen avaruuden symmetriat, jotka jättävät origon paikoilleen, määrittävät täysin origoon keskittyneen pallon symmetriat. Katso äärellisistä kolmiulotteisista pisteryhmistä myös Pallosymmetriaryhmät .
Konjugaatioon asti äärellisten kolmiulotteisten pisteryhmien joukko koostuu:
Pisteryhmien joukko on samanlainen kuin diskreetti siirtoryhmä - 27 7:stä äärettömästä sarjasta ja 5 7:stä jäljellä olevasta, yhteensä 32 ns. kiteistä pisteryhmää. Katso myös Crystallographic Constraint Theorem .
Prismaattisten ryhmien äärettömällä sarjalla on indeksi n , joka voi olla mikä tahansa luonnollinen luku. Jokaisessa sarjassa n: s symmetriaryhmä sisältää kertaluvun n kierroksen akselin ympäri, ts. kierto 360°/ n . Tapaus n =1 vastaa liikkeen puuttumista. Sarjoja on neljä ilman lisäkiertosymmetriaakseleita (katso sykliset symmetriat ) ja kolme sarjaa, joissa on lisäsymmetriaakseleita luokkaa 2 (katso dihedralsymmetria ). Ne voidaan ymmärtää -tason pisteryhminä , joita laajennetaan koordinaattiakseleilla ja niissä olevilla heijastuksilla. Ne liittyvät reunaryhmiin [1] ja niitä voidaan pitää rajaryhminä, jotka toistuvat n kertaa sylinterin ympäri.
Seuraavassa taulukossa on joitakin pisteryhmien merkintöjä: Hermann-Mogen-symboliikka (käytetään kristallografiassa ), Schoenflies-symbolit (käytetään kuvaamaan molekyylisymmetriaa ), orbifold-merkintä ja Coxeter-merkintä . Kolme viimeistä eivät ole vain käteviä pisteryhmien ominaisuuksien ymmärtämiseen, vaan myös määrittävät ryhmän järjestyksen. Nämä ovat yhtenäisiä merkintöjä, jotka koskevat taustakuvaryhmiä ja reunaryhmiä . Kristallografisille ryhmille n on rajoitettu arvoihin 1, 2, 3, 4 ja 6. Jos poistamme kristallografiset rajoitukset, saamme ryhmiä mille tahansa luonnolliselle luvulle.
Sarja:
Herman - Mogena |
Schoenflies | Orbifold [ | Coxetera | Raja | Rakenne ( Tilaa ) |
Esimerkki | Kommentit | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Jopa n | outo n | (sylinteri) | ||||||||
n | C n | nn | [n] + | p1 | n | Z n ( n ) |
n kertaluvun pyörimissymmetria | |||
2n _ | n | S2n _ _ | n × | [2n + ,2 + ] | p11g | Z 2 n ( 2 n ) |
Peilin pyörimissymmetria kertalukua n . Ei pidä sekoittaa symmetrisiin ryhmiin | |||
n /m | 2n _ | C n h | n * | [n + ,2] | p11m | Z n × Dih 1 (2 n ) |
||||
n mm | nm_ _ | C n v | * nn | [n] | p1m1 | Dihn ( 2n ) _ |
Pyramidaalinen symmetria; biologiassa - biradiaalinen symmetria | |||
n 22 | n 2 | D n | 22n _ | [n,2] + | p211 | 2n _ | Dih n | Dihedraalinen symmetria | ||
2n2m _ _ | nm_ _ | D n d , D n v | [2n,2 + ] | p2mg | 4n _ | Dih 2n ( 2n ) _ |
Antiprismaattinen symmetria | |||
n /mmm | 2n2m _ _ | D n h | * 22n | [n,2] | p2mm | Dih n × Dih 1 (4 n ) |
Prismaattinen symmetria |
Parittomalla n :llä meillä on Z 2 n = Z n × Z 2 ja Dih 2 n = Dih n × Z 2 .
Käsitteet vaaka (h) ja pystysuora (v) sekä vastaavat (alemmat) indeksit viittaavat lisäpeilitasoihin, jotka voivat olla yhdensuuntaisia kiertoakselin kanssa (pysty) tai kohtisuorassa kiertoakseliin nähden (vaaka). .
Yksinkertaisimmilla ei-triviaalisilla ryhmillä on involuutiosymmetria (abstrakti ryhmä Z 2 ):
Toinen näistä ryhmistä on ensimmäinen ryhmistä, joilla on yksi akseli ( sykliset ryhmät ) C n luokkaa n (soveltuu myös kaksiulotteisessa avaruudessa), jotka muodostetaan yhdellä kierrolla 360°/ n kulman läpi . Lisäksi voidaan lisätä akseliin nähden kohtisuorassa oleva peilitaso, joka antaa 2 n kertaluvun ryhmän C nh tai akselin sisältävän n peilin joukon , josta saadaan ryhmä C nv , joka on myös luokkaa 2 n . Jälkimmäinen on säännöllisen pyramidin symmetriaryhmä, jossa on n sivua. Tyypillinen esine, jonka symmetriaryhmä on Cn tai Dn , on potkuri .
Jos sekä pystyheijastustasot että vaakatasot lasketaan yhteen, niiden leikkauspisteet antavat n 180° kiertoakselia, joten ryhmä ei ole enää yksiakselinen. Tätä uutta 4 n kertaluvun ryhmää kutsutaan D nh . Sen rotaatioalaryhmät ovat 2 n kertalukua oleva dihedraaliryhmä D n , jolla on kuitenkin kertaluvun 2 pyörimisakselit kohtisuorassa pääkiertoakseliin nähden, mutta ei peiliheijastustasoja. Huomaa, että 2D:ssä D n sisältää heijastuksia, jotka voidaan nähdä kääntämisenä litteiden kohteiden yli erottamatta toisistaan etu- ja takaosaa, mutta 3D:ssä nämä kaksi toimintoa ovat erilaisia - ryhmä sisältää "kääntymisen", mutta ei heijastuksia.
Tässä perheessä on toinen ryhmä nimeltä D nd (tai D nv ), jossa on pystysuorat peilitasot, jotka sisältävät pääkiertoakselin, mutta vaakasuuntaisen peilin sijaan siinä on isometria, joka yhdistää heijastuksen vaakatason ympäri ja pyörimisen läpi. kulma 180°/ n . D nh on säännöllisen (n+2) -sivuisen prisman ja säännöllisen (2n) -sivuisen bipyramidin symmetriaryhmä . D nd on symmetriaryhmä säännölliselle (n+2) -puoliselle antiprisalle ja myös säännölliselle (2n) -puoliselle puolisuunnikkaan . D n on osittain kierretyn prisman symmetriaryhmä.
Ryhmät D 2 ja D 2 h ovat merkittäviä siinä mielessä, että niissä ei ole erityisiä pyörimisakseleita. On olemassa kolme kohtisuoraa akselia, joiden kertaluku on 2 [2] . D2 on monitahoisten symmetrioiden alaryhmä (katso alla) ja D2h on monitahoisten symmetrioiden alaryhmä Th ja Oh . D2 : ta löytyy homotetrameereistä , kuten konkanavaliini A :sta, tetraedrisistä komplekseista neljän identtisen kiraalisen ligandin kanssa tai molekyyleistä, kuten tetrakis(kloorifluorimetyyli) metaanista , jos kaikilla kloorifluorimetyyliryhmillä on sama kiraalisuus. D 2 : n elementit ovat 1-2-vastaavuudessa Lipschitzin kvaternionien reversiibelien elementtien antamien rotaatioiden kanssa .
Ryhmä S n syntyy vaakatasossa tapahtuvan heijastuksen ja 360°/ n kulman läpi tapahtuvan kiertymisen yhdistelmällä . Parittomalla n :llä ryhmä osuu yhteen kahden erillisen Cnh : n , joiden kertaluku on 2 n , muodostaman ryhmän kanssa, joten merkintä S n ei ole tarpeen. Jopa n :lle ne ovat kuitenkin erillisiä ja niiden kertaluku on n . Kuten D nd , ryhmä sisältää useita virheellisiä kierroksia , mutta ei vastaavia kiertoja.
Kaikki 7 äärettömän sarjan symmetriaryhmät ovat erilaisia lukuun ottamatta seuraavia neljää yhtäläistä paria:
S 2 on luokkaa 2 oleva ryhmä, jolla on ainutlaatuinen symmetria pisteen ( Ci ) suhteen .
Tässä "Equal" tarkoittaa samaa konjugaatioon asti avaruudessa. Tämä on tiukempaa kuin "algebralliseen isomorfiaan asti". Esimerkiksi ensimmäisessä merkityksessä on kolme erillistä ryhmää, jotka ovat luokkaa kaksi, mutta vain yksi toisessa. Vastaavasti esimerkiksi ryhmä S2n on algebrallisesti isomorfinen Z2n :n kanssa .
Ryhmät voidaan rakentaa näin:
Kun n on yhtä suuri kuin ∞, saadaan ryhmä jatkuvilla aksiaalisilla pyörimisillä:
G-M | Schoenflies | Orbifold | Coxeter | Raja | abstrakti ryhmä | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
∞ | C∞ _ | ∞∞ | [∞] + | C n | Z∞ _ | SO(2) | |
∞ , ∞/m | C∞h _ | ∞* | [2,∞ + ] | Cnh , S2n _ _ _ | Dih 1 × Z∞ | Z2 × SO(2 ) | |
∞m | C∞v _ | *∞∞ | [∞] | C n v | Dih∞ _ | O(2) | |
∞2 | D∞ _ | 22∞ | [2,∞] + | D n | Dih∞ _ | O(2) | |
∞m, ∞ /mm | D∞h _ | *22∞ | [2,∞] | D n h , D n d | Dih 1 × Z∞ | Z2 × O(2 ) |
Muilla pisteryhmillä on erittäin korkea tai monitahoinen symmetria, koska niillä on useampi kuin yksi kiertoakseli, jonka kertaluku on suurempi kuin 2. Tässä C n tarkoittaa 360°/n pyörimisakselia ja S n tarkoittaa väärää pyörimisakselia samalla kulmalla. Merkintäsarakkeessa on orbifold-merkintä (suluissa), Coxeterin merkintä ( Coxeter-kaavio ), koko Hermann-Maugin-symboliikka ja lyhenne, jos se on erilainen. Luettelo ryhmistä:
T , (332) [3,3] + () 23 tilaus 12 |
kiraalinen tetraedrisymmetria | Siellä on neljä C 3 -akselia, joista kukin kulkee kuution kahden kärjen (suurempaa lävistäjää pitkin) tai säännöllisen tetraedrin korkeuksien läpi ja kolme C 2 -akselia kuution pintojen keskipisteiden tai kuution (vastakkaisten) sivujen keskipisteiden läpi. tetraedri. Tämä ryhmä on isomorfinen A4 :n kanssa , joka on 4 elementin vuorotteleva ryhmä, ja se on säännöllisen tetraedrin rotaatioryhmä. Ryhmä on normaali alaryhmä ryhmistä T d , T h ja oktaederiset symmetriat. Ryhmän elementit vastaavat 1-2 kiertoja, jotka saadaan 24 Hurwitzin kvaternioniyksiköllä (" Binary Tetrahedron Group "). |
T d , (*332) [3,3] () 4 3m tilaus 24 |
täydellinen tetraedrinen symmetria | Tällä ryhmällä on samat kiertoakselit kuin T:llä, mutta kuusi peilitasoa, joista jokaisessa on kaksi kuution reunaa tai yksi tetraedrireuna, yksi C2- akseli ja kaksi C3 - akselia . Akseleista C 2 tulee akseleita S 4 . Tämä ryhmä on säännöllisen tetraedrin symmetriaryhmä . T d on isomorfinen S 4 :n , 4 kirjaimen symmetrisen ryhmän kanssa , koska T d :n elementtien ja neljän akselin3kertaluvun 24 permutaatioiden välillä on 1-1-vastaavuus, neljä tällaista objektia, ja T d vastaa näiden neljän elementin permutaatioiden joukko. T d on O h :n normaali alaryhmä . Katso myös säännöllisen tetraedrin isometria . |
T h , (3*2) [3 + ,4] () 2/m 3 , m 3 järjestys 24 |
pyriteedrinen symmetria | Tällä ryhmällä on samat pyörimisakselit kuin T :llä ja peilitasot ovat yhdensuuntaiset kuution pintojen kanssa. C 3 -akseleista tulee S 6 -akseleita , ja niissä on keskeinen symmetria. Ryhmä T h on isomorfinen ryhmälle A 4 × Z 2 (koska T ja C i ovat normaaleja alaryhmiä), mutta ei symmetriselle ryhmälle S 4 . Tämä on kuution symmetriaryhmä, jonka jokaiselle pinnalle piirretään segmentti, joka jakaa kuution kahteen yhtä suureen suorakulmioon, ja vierekkäisten pintojen segmenteillä ei ole yhteisiä pisteitä (ne yhdistävät eri reunat). Symmetriat vastaavat suurten diagonaalien tasaisia permutaatioita yhdistettynä keskussymmetriaan. Ryhmä on myös pyriteedrin symmetria , joka on samanlainen kuin yllä kuvattu kuutio, jossa jokainen suorakulmio on korvattu viisikulmiolla, jolla on yksi symmetria-akseli ja jossa on 4 yhtä suurta sivua ja yksi eripituinen sivu (joka vastaa viivaa segmentti, joka jakaa kuution pinnan.). Eli kuution pinnat ulkonevat jakoviivaa pitkin ja kapenevat täällä. Ryhmä on alaryhmä (mutta ei normaali alaryhmä) täydellisen ikosaedrisen symmetrian ryhmästä (isometrisenä ryhmänä, mutta ei vain abstraktina ryhmänä), jossa on 4 10:stä luokkaa 3 olevasta akselista. Ryhmä on normaali alaryhmä O h -ryhmästä . |
O , (432) [4,3] + () 432 tilaus 24 |
kiraalinen oktaedrisymmetria | Tämä ryhmä on samanlainen kuin T-ryhmä, mutta C 2 -akseleista tulee C 4 -akseleita ja kuution reunojen keskipisteiden kautta kulkee 6 ylimääräistä C 2 -akselia. Tämä ryhmä on isomorfinen S 4 :n kanssa, koska sen elementit 1-1 vastaavat 24 permutaatiota 3:n akselin permutaatiosta, kuten T:ssä. Symmetriaobjekti D 3 yhden luokan 3 akselin suhteen saadaan O:n vaikutuksesta. kiertorata , joka koostuu neljästä tällaisesta kohteesta, ja O vastaa näiden neljän elementin permutaatioiden joukkoa. Ryhmä on kuution ja oktaedrin kiertoryhmä . Jos rotaatioita edustavat kvaternionit , O koostuu 24 yksiköstä Hurwitzin kvaternioneista ja 24 normoidusta Lipschitzin kvaternionista , jotka on normalisoitu jakamalla . Kuten ennenkin, tämä on 1-2-ottelu. |
Voi , (*432) [ 4,3] () 4/m 3 2/m, m 3 m luokka 48 |
täysi oktaedrisymmetria | Tällä ryhmällä on samat kiertoakselit kuin O , mutta peilitasoilla, jotka sisältävät symmetriatasot T d ja T h . Ryhmä on isomorfinen S 4 × Z 2 :lle (koska sekä O että C i ovat normaaleja alaryhmiä), ja se on kuution ja oktaedrin symmetriaryhmä . Katso myös kuutioisometriikka |
I , (532) [5,3] + () 532 tilaus 60 |
kiraalinen ikosaedrinen symmetria | Ikosaedrin ja dodekaedrin rotaatioryhmä . Ryhmä on normaali alaryhmä , jonka indeksillä 2 on täydellinen symmetriaryhmä I h . Ryhmä sisältää 10 versiota ryhmästä D 3 ja 6 versiota ryhmästä D 5 (kiertosymmetriat, kuten prismat ja antiprismat). Ryhmä sisältää myös viisi versiota T h :sta (katso Viiden tetraedrin yhdiste ). Ryhmä I on isomorfinen A5 : n , vuorottelevan 5 -kirjaimen ryhmän, kanssa, koska sen elementit vastaavat viiden Th-symmetrian (tai edellä mainitun viiden tetraedrin) 1-1 parillisia permutaatioita . |
I h , (*532) [5,3] () 5 3 2/m, 5 3 m tilaus 120 |
täydellinen ikosaedrinen symmetria | Ikosaedrin ja dodekaedrin symmetriaryhmä. Ryhmä I h on isomorfinen A 5 × Z 2 :lle, koska I ja C i ovat normaaleja alaryhmiä. Ryhmä sisältää 10 D 3d -versiota, 6 D 5d -versiota (symmetriaa kuten antiprismat) ja 5 T h -versiota . |
Tähän ryhmään liittyvät jatkuvat ryhmät ovat:
Kuten yllä jatkuvan pyörimisen ryhmille todettiin, kaikilla fyysisillä objekteilla, joilla on K-symmetria, on myös Kh -symmetria .
Minkä tahansa ryhmän järjestys on 2 jaettuna orbifold Euler - ominaisuudella . Jälkimmäinen on yhtä suuri kuin 2 miinus arvojen summa, jotka lasketaan seuraavien sääntöjen mukaisesti:
Tätä voidaan soveltaa myös tapettiryhmiin ja reunaryhmiin - niille summa on 2, mikä antaa äärettömän järjestyksen. Katso orbifold Euler -ominaisuus .
A 3 , [3,3] | eKr. 3 , [4,3] | H 3 , [5,3] | |
---|---|---|---|
6 peiliä |
3+6 peiliä |
15 peiliä | |
A 1 ×A 1 , [1,2] | A 1 × A 1 × A 1 , [2,2] | I 2 (3) × A 1 , [2,3] | |
2 peiliä |
3 peiliä |
4 peiliä | |
A 1 , [1] | A 1 ×A 1 , [2] | I 2 (3), [3] | |
1 peili |
2 peiliä |
3 peiliä |
Kolmiulotteisen avaruuden heijastuspisteryhmät, joita kutsutaan myös Coxeter-ryhmiksi ja jotka voidaan määritellä Coxeter-Dynkin-kaavioilla , edustavat joukkoa peilejä, jotka leikkaavat yhdessä keskipisteessä ja rajoittavat alueen aluetta pallomaisen kolmion muodossa. pallon pintaa. Coxeter-ryhmillä, joissa on vähemmän kuin 3 generaattoria, on degeneroituneita pallomaisia kolmioalueita, kuten lune tai puolipallo . Coxeterin merkinnöissä tällaisia ryhmiä ovat tetraedrisymmetria [3,3], oktaedrisymmetria [4,3], ikosaedrisymmetria [5,3] ja dihedraalinen symmetria [p,2]. Pelkistymättömän ryhmän peilien lukumäärä on nh/2 , missä h on ryhmän Coxeterin luku , n on mitta (3) [3] .
Weilin ryhmä |
Coxeterin merkintä | Tilaus | Coxeterin numero (h) |
Peilit (m) | |
---|---|---|---|---|---|
Polytooppiryhmät | |||||
A 3 | [3,3] | 24 | neljä | 6 | |
B3 _ | [4,3] | 48 | 6 | 3+6 | |
H3_ _ | [5,3] | 120 | kymmenen | viisitoista | |
Dihedral ryhmä | |||||
2A1 _ _ | [1,2] | neljä | 1+1 | ||
3 A 1 | [2,2] | kahdeksan | 2+1 | ||
I 2 (p) A 1 | [p,2] | 4p | p+1 | ||
Sykliset ryhmät | |||||
2A1 _ _ | [2] | neljä | 2 | ||
I 2 (p) | [p] | 2p | s | ||
yksi peili | |||||
A 1 | [ ] | 2 | yksi |
Rotaatioryhmät, ts. SO(3): n äärelliset alaryhmät ovat: sykliset ryhmät Cn (kanonisten pyramidien kiertoryhmät ) , dihedraaliset ryhmät Dn (homogeenisten prismien tai kanonisten bipyramidien pyörimisryhmät) ja säännöllisen tetraedrin , oktaedrin / kuution rotaatioryhmät T , O ja I ja ikosaedri / dodekaedri .
Erityisesti dihedraaliryhmät D3 , D4 jne . ovat kolmiulotteiseen avaruuteen upotettuja tasomaisten säännöllisten monikulmioiden kiertoryhmiä, ja tällaisia kuvioita voidaan pitää rappeutuneina säännöllisinä prismoina. Siksi niitä kutsutaan dihedraliksi (kreikaksi: ruumiiksi, jolla on kaksi kasvoa), mikä selittää nimen dihedral group .
Objektin rotaatioryhmä on yhtä suuri kuin sen täysi symmetriaryhmä, jos ja vain jos kohde on kiraalinen .
Luettelo rotaatioalaryhmistä niiden Schoenflies- merkinnällä , Coxeter-merkinnällä , ( orbifold notation ):
Heijastus | Heijastus/kierto | Väärä kierto | Kierto |
---|---|---|---|
C nv , [n], (*nn) | C nh , [n + ,2], (n*) | S 2n , [2n + ,2 + ], (n×) | C n , [n] + , (nn) |
D nh , [2,n], (*n22) | Dnd , [ 2 + ,2n], (2*n) | D n , [2,n] + , (n22) | |
T d , [3,3], (*332) | T , [3,3] + , (332) | ||
Oi , [ 4,3 ], (*432) | T h , [3 + ,4], (3*2) | O , [4,3] + , (432) | |
I h , [5,3], (*532) | I , [5,3] + , (532) |
Seuraavat ryhmät sisältävät keskussymmetrian :
Kuten edellä selitettiin, näiden ryhmien ja kaikkien rotaatioryhmien välillä on 1-1 vastaavuus:
Muut ryhmät sisältävät epäsuoria isometrioita, mutta ei keskussymmetriaa:
Ne kaikki vastaavat rotaatioryhmää H ja alaryhmää L indeksillä 2 siinä mielessä, että ne saadaan H :sta kääntämällä isometriat arvoon H \ L , kuten edellä on selitetty:
On olemassa kaksi diskreettiä pisteryhmää, joilla on ominaisuus, että millään diskreetillä pistealaryhmällä niitä ei ole oikeana alaryhmänä, O h ja I h . Niiden suurin yhteinen alaryhmä on T h . Siitä saadaan kaksi ryhmää korvaamalla kertaluvun 2 pyörimissymmetria 4:n kertaluvun symmetrialla ja lisäämällä vastaavasti luokkaa 5 oleva symmetria. Voit myös saada kaksi ryhmää lisäämällä peilitasoja T h -arvoon .
On olemassa kaksi kristallografista pisteryhmää, joilla on se ominaisuus, että mikään kristallografinen pisteryhmä ei sisällä niitä omana alaryhmänään - O h ja D 6h . Niiden suurimmat yhteiset alaryhmät ovat suuntauksesta riippuen D 3d ja D 2h .
Lisäksi edellä kuvatut ryhmät on järjestetty ryhmän abstraktin tyypin mukaan.
Pienimmät abstraktit ryhmät, jotka eivät ole symmetriaryhmiä kolmiulotteisessa avaruudessa, ovat kvaternioniryhmä (luokkaa 8), Z 3 × Z 3 (luokkaa 9), disyklinen ryhmä Dic 3 (luokkaa 12) ja 10. 14 ryhmää tilauksesta 16.
Seuraavan taulukon sarake "Asutuksen 2 elementtien lukumäärä" näyttää C 2 , C i , C s -tyyppisten isometria-alaryhmien kokonaismäärän . Tämä yhteinen numero on yksi niistä ominaisuuksista, jotka mahdollistavat abstraktien ryhmien erottamisen, kun taas niiden isometriatyyppi auttaa erottamaan saman abstraktin ryhmän isometriaryhmät.
Mahdollisten ryhmien isometrioiden joukossa kolmiulotteisessa avaruudessa on äärettömän monta abstraktia ryhmätyyppiä, joissa on 0, 1 ja 3 kertaluokkaa 2 olevaa alkiota, kaksi ryhmää, joissa on 2 n + 1 luokkaa 2 olevaa alkiota, ja kolme ryhmät, joissa on 2 n + 3 kertaluvun 2 elementtiä (mikä tahansa n ≥ 2 ). Ei ole positiivista parillista kertaluvun 2 alkioiden määrää.
Pyörimissymmetriaryhmä , jonka kertaluku on n , on C n . Sen abstrakti ryhmätyyppi on syklinen ryhmä Zn , jota myös merkitään Cn : llä . On kuitenkin olemassa kaksi muuta ääretöntä sarjaa symmetriaryhmiä, joissa on abstrakteja ryhmiä:
Siten korostamalla lihavoidulla kirjaimella 10 kristallografista pisteryhmää, joihin sovelletaan kristallografisia rajoituksia , meillä on:
Tilaus | Isometriset ryhmät | abstrakti ryhmä | Tilauksen elementtien lukumäärä 2 |
syklin kaavio |
---|---|---|---|---|
yksi | C1_ _ | Z1_ _ | 0 | |
2 | C2 , Ci , Cs _ _ _ | Z2_ _ | yksi | |
3 | C3_ _ | Z3_ _ | 0 | |
neljä | C4 , S4 _ _ | Z4_ _ | yksi | |
5 | C5 _ | Z5_ _ | 0 | |
6 | C6 , S6 , C3h _ _ _ | Z 6 \u003d Z 3 × Z 2 | yksi | |
7 | C7_ _ | Z7_ _ | 0 | |
kahdeksan | C8 , S8 _ _ | Z8_ _ | yksi | |
9 | C9_ _ | Z9_ _ | 0 | |
kymmenen | C 10 , S 10 , C 5h | Z10 = Z5 × Z2 _ | yksi |
jne.
Kahdessa ulottuvuudessa kaksitahoinen ryhmä D n sisältää heijastuksia, jotka voidaan ajatella kääntävän esinettä erottamatta toisistaan etu- ja takaosaa.
Kolmiulotteisessa avaruudessa nämä kaksi operaatiota ovat kuitenkin erilaisia - symmetriaryhmä, jonka nimi on D n , sisältää n kertaluokkaa 2 olevaa akselia, jotka ovat kohtisuorassa kertaluvun n akseleihin nähden , ei heijastusta. D n on kiertoryhmä n - puoleisessa prismassa , jossa on säännöllinen kanta, n - puoleisessa bipyramidissa , jossa on säännöllinen kanta, sekä säännöllisen n - sivuisen antiprisman ja säännöllisen n - sivuisen puolisuunnikkaan muodon . Ryhmä on myös tällaisten kohteiden täysi symmetriaryhmä, jos niistä tehdään kiraalisia kasvoja merkitsemällä tai jollain muuttamalla kuviota.
Abstrakti ryhmä on dihedraaliryhmä Dih n , joka on myös merkitty symbolilla D n . On kuitenkin kolme muuta symmetriaryhmää, joilla on sama abstrakti ryhmä:
Huomaa seuraava ominaisuus:
Dih 4n+2 Dih 2n+1 × Z 2Siten, kun lihavoidaan 12 kristallografista ryhmää ja kirjoitetaan D 1d vastaavaksi arvoa C 2h , saadaan:
Tilaus | Isometriset ryhmät | abstrakti ryhmä | Tilauksen elementtien lukumäärä 2 |
syklin kaavio |
---|---|---|---|---|
neljä | D2 , C2v , C2h _ _ _ | Dih 2 = Z 2 × Z 2 | 3 | |
6 | D3 , C3v _ _ | Dih 3 | 3 | |
kahdeksan | D4 , C4v , D2d _ _ _ | Dih 4 | 5 | |
kymmenen | D 5 , C 5 v | Dih 5 | 5 | |
12 | D 6 , C 6v , D 3d , D 3h | Dih 6 = Dih 3 × Z 2 | 7 | |
neljätoista | D 7 , C 7 v | Dih 7 | 7 | |
16 | D 8 , C 8 v , D 4 d | Dih 8 | 9 | |
kahdeksantoista | D 9 , C 9 v | Dih 9 | 9 | |
kaksikymmentä | D 10 , C 10 v , D 5 h , D 5 d | Dih 10 = D 5 × Z 2 | yksitoista |
jne.
C 2n,h luokkaa 4 n on abstrakti ryhmä tyyppiä Z 2 n × Z 2 . Kun n = 1, saadaan Dih 2 , edellä kuvattu ryhmä, joten n ≥ 2.
Siten, kun 2 syklistä kristallografista pisteryhmää lihavoidaan, meillä on:
Tilaus | Isometriset ryhmät | abstrakti ryhmä | Tilauksen elementtien lukumäärä 2 |
syklin kaavio |
---|---|---|---|---|
kahdeksan | C4h _ | Z4 × Z2 _ | 3 | |
12 | C6h _ | Z 6 × Z 2 = Z 3 × Z 2 2 = Z 3 × Dih 2 | 3 | |
16 | C 8h | Z8 × Z2 _ | 3 | |
kaksikymmentä | C 10h | Z 10 × Z 2 = Z 5 × Z 2 2 = Z 5 × Dih 2 | 3 |
jne.
D nh luokkaa 4 n on abstrakti ryhmä, jonka tyyppi on Dih n × Z 2 . Parittoman n :n ryhmä on jo kuvattu yllä, joten tässä on D 2 n h kertalukua 8 n , joka on abstrakti ryhmä, jonka tyyppi on Dih 2 n × Z 2 ( n ≥1).
Siten korostamalla kolmea dihedristä kristallografista pisteryhmää lihavoituna, meillä on:
Tilaus | Isometriset ryhmät | abstrakti ryhmä | Tilauksen elementtien lukumäärä 2 |
syklin kaavio |
---|---|---|---|---|
kahdeksan | P2h _ | Dih 2 × Z 2 | 7 | |
16 | 4h _ | Dih 4 × Z 2 | yksitoista | |
24 | D6h _ | Dih 6 × Z 2 = Dih 3 × Z 2 2 | viisitoista | |
32 | 8h _ | Dih 8 × Z 2 | 19 |
jne.
Loput seitsemän ryhmää, joissa 5 kristallografista pisteryhmää on lihavoitu:
Tilaus | Isometriset ryhmät | abstrakti ryhmä | Tilauksen elementtien lukumäärä 2 |
syklin kaavio |
---|---|---|---|---|
12 | T | A4 _ | 3 | |
24 | T d , O | S4_ _ | 6 | |
24 | T h | A 4 × Z 2 | 6 | |
48 | O h | S 4 × Z 2 | 6 | |
60 | minä | A5 _ | ||
120 | I h | A 5 × Z 2 |
Koska katsaus on tyhjentävä, se osoittaa implisiittisesti mitkä tapaukset eivät ole mahdollisia diskreeteinä symmetriaryhminä. Esimerkiksi:
Jne..
Kuvaus Spin(3) → SO(3) on pyörimisryhmän kaksoispeitto spinoriryhmällä kolmiulotteisessa avaruudessa. (Tämä on SO(3) ainoa yhdistetty peitto, koska Spin(3) on yksinkertaisesti yhdistetty.) Vastaavuuslauseen mukaan Spin(3)-alaryhmien ja SO(3) -aliryhmien välillä on Galois-vastaavuus . (pisteen kiertoryhmät) — Spinin (3) aliryhmän kuva on kiertojen pisteryhmä, ja pisteryhmän käänteiskuva on ryhmän Spin(3) aliryhmä.
Äärillisen pisteryhmän käänteiskuvaa kutsutaan binääriseksi monitahoiseksi ryhmäksi , jota merkitään <l,n,m>, ja sitä kutsutaan samalla nimellä kuin pisteryhmää, mutta siihen on lisätty binääri , kun taas ryhmän järjestys on kaksinkertaistunut suhteessa monitahoisen ryhmän (l,m ,n) suhteen. Esimerkiksi ikosaedriryhmän (2,3,5) esikuva on binäärinen ikosaedriryhmä , <2,3,5>.
Binaariset monitahoiset ryhmät:
Ryhmät on systematisoitu ADE-luokituksen mukaisesti ja tekijäryhmällä C 2 binaarisen monitahoisen ryhmän toiminnan mukaan on Du Val -singulaarisuus [4] .
Suunnanvaihtopisteryhmien kohdalla tilanne on monimutkaisempi, koska Pin-ryhmiä on kaksi , joten on olemassa kaksi mahdollista binääriryhmää, jotka vastaavat tiettyä pisteryhmää.
Huomaa, että tämä peitto on ryhmien , ei tilojen peitto .