Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в основном непроверенным, поскольку в нем отсутствуют соответствующие встроенные ссылки . ( Апрель 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Алгебраическая структура → Теория групп Теория групп |
---|
В математике , A группа диэдра является группа из симметрии одного правильного многоугольника , [1] [2] , который включает в себя повороты и отражения . Группы диэдра являются одними из самых простых примеров конечных групп , и они играют важную роль в теории групп , геометрии и химии .
Обозначения для группы диэдра различаются в геометрии и абстрактной алгебре . В геометрии , D п или DIH п относится к симметрии п-угольника , группа порядка 2 п . В абстрактной алгебре , D 2 н относится к этой же группе диэдра. [3] В этой статье используется геометрическое соглашение.
Определение [ править ]
Элементы [ править ]
Правильный многоугольник с сторонами имеют различные симметрии: вращательные симметрии и отражение симметрию . Обычно берем здесь. Соответствующие вращения и отражения составляют группу диэдра . Если нечетное, каждая ось симметрии соединяет середину одной стороны с противоположной вершиной. Если чётно, то есть оси симметрии, соединяющие середины противоположных сторон, и оси симметрии, соединяющие противоположные вершины. В любом случае есть оси симметрии и элементы в группе симметрии. [4] Отражение по одной оси симметрии с последующим отражением по другой оси симметрии приводит к повороту на удвоенный угол между осями. [5]
На следующем рисунке показано влияние шестнадцати элементов на знак остановки :
Первая строка показывает эффект восьми вращений, а вторая строка показывает эффект восьми отражений, в каждом случае воздействуя на знак остановки с ориентацией, показанной вверху слева.
Структура группы [ править ]
Как и любой другой геометрический объект, композиция двух симметрий правильного многоугольника снова является симметрией этого объекта. С помощью композиции симметрий для создания другой в качестве бинарной операции это придает симметриям многоугольника алгебраическую структуру конечной группы . [6]
Следующая таблица Кэли показывает эффект композиции в группе D 3 (симметрии равностороннего треугольника ). r 0 обозначает идентичность; r 1 и r 2 обозначают вращение против часовой стрелки на 120 ° и 240 ° соответственно, а s 0 , s 1 и s 2 обозначают отражения от трех линий, показанных на соседнем рисунке.
г 0 | r 1 | r 2 | s 0 | с 1 | с 2 | |
---|---|---|---|---|---|---|
г 0 | г 0 | r 1 | r 2 | s 0 | с 1 | с 2 |
r 1 | r 1 | r 2 | г 0 | с 1 | с 2 | s 0 |
r 2 | r 2 | г 0 | r 1 | с 2 | s 0 | с 1 |
s 0 | s 0 | с 2 | с 1 | г 0 | r 2 | r 1 |
с 1 | с 1 | s 0 | с 2 | r 1 | г 0 | r 2 |
с 2 | с 2 | с 1 | s 0 | r 2 | r 1 | г 0 |
Например, s 2 s 1 = r 1 , потому что отражение s 1, за которым следует отражение s 2, приводит к повороту на 120 °. Порядок элементов, обозначающих композицию, - справа налево, что отражает соглашение о том, что элемент действует на выражение справа от него. Операция композиции не коммутативна . [6]
В общем, группа D n имеет элементы r 0 , ..., r n −1 и s 0 , ..., s n −1 , состав которых определяется следующими формулами:
Во всех случаях сложение и вычитание индексов должны выполняться с использованием модульной арифметики с модулем n .
Матричное представление [ править ]
Если мы центрирование правильного многоугольника в нуле, то элементы двугранных групп выступают в качестве линейных преобразований в плоскости . Это позволяет нам представлять элементы D n в виде матриц , причем композиция представляет собой матричное умножение . Это пример (2-мерного) представления группы .
Например, элементы группы D 4 могут быть представлены следующими восемью матрицами:
В общем случае матрицы для элементов D n имеют следующий вид:
r k - матрица вращения , выражающая вращение против часовой стрелки на угол 2 πk / n . s k - отражение поперек линии, которая составляет угол πk / n с осью x .
Другие определения [ править ]
Дальнейшие эквивалентные определения D n :
- Группа автоморфизмов из графика , состоящая только из цикла с п вершинами (если п ≥ 3).
- Группа с презентацией
- Полупрямое произведение из циклических групп Z п и Z 2 , с Z 2 , действующая на Z п путем инверсии (таким образом, D п всегда имеет нормальную подгруппу изоморфна группе Z п ). Z n ⋊ φ Z 2 изоморфен D n, если φ (0) - тождество, а φ (1) - инверсия.
Малые двугранные группы [ править ]
D 1 является изоморфно к Z 2 , в циклической группе порядка 2.
D 2 является изоморфно к K 4 , в Klein четыре группы .
D 1 и D 2 являются исключительными в том, что:
- D 1 и D 2 - единственные абелевы диэдральные группы. В противном случае D n неабелева.
- Г п является подгруппой из симметрической группы S п для п ≥ 3 . Поскольку 2 n > n ! для n = 1 или n = 2 для этих значений D n слишком велико, чтобы быть подгруппой.
- Группа внутренних автоморфизмов D 2 тривиальна, тогда как для других четных значений n это D n / Z 2 .
В цикле графика диэдральных групп состоит из п -элементного цикла и п циклов 2-элементов. Темная вершина в циклических графах различных групп диэдра ниже представляет собой единичный элемент, а другие вершины - другие элементы группы. Цикл состоит из последовательных степеней любого из элементов, связанных с элементом идентичности .
D 1 = Z 2 | D 2 = Z 2 2 = К 4 | D 3 | D 4 | D 5 |
---|---|---|---|---|
D 6 = D 3 × Z 2 | Д 7 | D 8 | D 9 | D 10 = D 5 × Z 2 |
D 3 = S 3 | D 4 |
---|---|
Группа диэдра как группа симметрии в 2D и группа вращения в 3D [ править ]
Примером абстрактной группы D n и распространенным способом ее визуализации является группа изометрий евклидовой плоскости, которая сохраняет фиксированное начало координат. Эти группы образуют одну из двух серий дискретных точечных групп в двух измерениях . D n состоит из n поворотов на 360 ° / n относительно начала координат и отражений через n линий через начало координат, составляющих углы, кратные 180 ° / n друг другу. Это группа симметрии из правильного многоугольника с п сторон (дляn ≥ 3 ; это распространяется на случаи n = 1 и n = 2, где у нас есть плоскость со смещением точки соответственно от «центра» «1-угольника» и «2-угольника» или отрезка линии).
Д п будет генерироваться посредством вращения г о порядка п и отражение ˙s порядка 2 таким образом, что
В геометрическом плане: в зеркале вращение выглядит как обратное вращение.
В терминах комплексных чисел : умножение на и комплексное сопряжение .
В матричной форме, задав
и определяя и для, мы можем записать правила продукта для D n как
(Сравните координатные вращения и отражения .)
Группа диэдра D 2 создается поворотом r на 180 градусов и отражением s поперек оси x . Затем элементы D 2 могут быть представлены как {e, r, s, rs}, где e - это тождественное или нулевое преобразование, а rs - это отражение по оси y .
D 2 является изоморфной к четверной группе Клейна .
Для п > 2 операции вращения и отражения в общем случае не коммутируют и D п не абелева ; например, в D 4 поворот на 90 градусов с последующим отражением дает результат, отличный от отражения, за которым следует поворот на 90 градусов.
Таким образом, помимо их очевидного применения к проблемам симметрии на плоскости, эти группы являются одними из простейших примеров неабелевых групп и, как таковые, часто возникают как простые контрпримеры к теоремам, которые ограничиваются абелевыми группами.
В 2 л элементы D п можно записать в виде е , г , г 2 , ..., г п -1 , ю , RS , R 2 с , ..., г п -1 с . Первые n перечисленных элементов являются вращениями, а остальные n элементов - отражениями от оси (все они имеют порядок 2). Произведение двух вращений или двух отражений есть вращение; продукт вращения и отражения - это отражение.
До сих пор мы рассматривали D п быть подгруппа из O (2) , то есть группа вращений (о происхождении) и отражения ( по всей оси через начало координат) плоскости. Однако обозначение D п также используется для подгруппы SO (3) , который также абстрактного типа группы D п : собственно группа симметрии из правильного многоугольника встраивается в трехмерном пространстве (если п ≥ 3). Такую фигуру можно рассматривать как вырожденное правильное твердое тело, грань которого пересчитана дважды. Поэтому его еще называют диэдром (греч. Твердое тело с двумя гранями), что и объясняет названиегруппа диэдра (по аналогии с тетраэдрической , октаэдрической и икосаэдрической группой , имея в виду соответствующие группы симметрии правильного тетраэдра , октаэдра и икосаэдра соответственно).
Примеры двумерной двугранной симметрии [ править ]
2D D 6 симметрия - Красная звезда Давида
2D D 16 симметрия - Императорская печать Японии, представляющая восьмикратную хризантему с шестнадцатью лепестками .
2D D 24 симметрия - Ашока Чакра , изображенная на Государственном флаге Республики Индия .
Свойства [ править ]
Свойства групп диэдра D n с n ≥ 3 зависят от того, является ли n четным или нечетным. Например, центр из D п состоит только из тождества , если п нечетно, но если п даже в центре состоит из двух элементов, а именно : идентичность и элемент г п / 2 (с D п как подгруппа группы O (2 ), это инверсия ; поскольку это скалярное умножение на −1, ясно, что оно коммутирует с любым линейным преобразованием).
В случае двумерных изометрий это соответствует добавлению инверсии, давая повороты и зеркала между существующими.
Для п дважды нечетное число, абстрактной группы Г п изоморфна прямому произведению из D п / 2 и Z 2 . Обычно, если m делит n , то D n имеет n / m подгрупп типа D m и одну подгруппу ℤ m . Следовательно, общее количество подгрупп в D n ( n ≥ 1) равно d ( n ) + σ ( n ), где d( n ) - количество положительных делителей числа n, а σ ( n ) - сумма положительных делителей числа n . См. Список малых групп для случаев n ≤ 8.
Группа диэдра порядка 8 (D 4 ) является наименьшим примером группы, не являющейся T-группой . Любая из двух четырехгрупповых подгрупп Клейна (нормальных в D 4 ) имеет в качестве нормальной подгруппы подгруппы порядка 2, порожденные отражением (переворотом) в D 4 , но эти подгруппы не являются нормальными в D 4 .
Классы сопряженности отражений [ править ]
Все отражения сопряжены друг другу, если n нечетно, но они попадают в два класса сопряженности, если n четно. Если мы подумаем об изометриях правильного n -угольника: для нечетных n есть вращения в группе между каждой парой зеркал, в то время как для четных n только половина зеркал может быть достигнута из одного этими вращениями. Геометрически в нечетном многоугольнике каждая ось симметрии проходит через вершину и сторону, а в четном многоугольнике есть два набора осей, каждый из которых соответствует классу сопряженности: те, которые проходят через две вершины, и те, которые проходят через две стороны. .
Алгебраически, это является экземпляром конъюгат Силова теоремы (для п нечетно): для п нечетного, каждое отражение, вместе с идентичностью, образуют подгруппу порядка 2, который представляет собой силовская 2-подгруппа ( 2 = 2 1 является максимальная степень 2, делящая 2 n = 2 [2 k + 1] ), в то время как при четном n эти подгруппы порядка 2 не являются силовскими подгруппами, поскольку 4 (более высокая степень 2) делит порядок группы.
Для n даже вместо этого существует внешний автоморфизм, меняющий местами два типа отражений (собственно, класс внешних автоморфизмов, которые все сопряжены внутренним автоморфизмом).
Группа автоморфизмов [ править ]
Группа автоморфизмов из D п изоморфна голоморфом из ℤ / п ℤ, т.е. к Hol (ℤ / п ℤ) = { ах + Ь | ( a , n ) = 1} и имеет порядок nϕ ( n ), где ϕ - функция Эйлера , число k в 1,…, n - 1 взаимно просто с n .
Его можно понять в терминах генераторов отражения и элементарного вращения (вращение на k (2 π / n ) для k, взаимно простого с n ); какие автоморфизмы являются внутренними и внешними, зависит от четности n .
- При нечетном n группа диэдра бесцентровая, поэтому любой элемент определяет нетривиальный внутренний автоморфизм; при четном n поворот на 180 ° (отражение через начало координат) является нетривиальным элементом центра.
- Таким образом, при нечетном n группа внутренних автоморфизмов имеет порядок 2 n , а при четном n (кроме n = 2 ) группа внутренних автоморфизмов имеет порядок n .
- При нечетном n все отражения сопряжены; для четного n они делятся на два класса (те, которые проходят через две вершины, а те, через две грани), связанных внешним автоморфизмом, который может быть представлен поворотом на π / n (половина минимального вращения).
- Вращения - нормальная подгруппа; сопряжение отражением меняет знак (направление) вращения, но в остальном оставляет их неизменными. Таким образом, автоморфизмы, умножающие углы на k (взаимно просты с n ), являются внешними, если k = ± 1 .
Примеры групп автоморфизмов [ править ]
D 9 имеет 18 внутренних автоморфизмов . Как и группа 2D изометрии D 9 , группа имеет зеркала с интервалом 20 °. 18 внутренних автоморфизмов обеспечивают вращение зеркал кратно 20 ° и отражения. Как группа изометрий, это все автоморфизмы. В качестве абстрактной группы существует еще 36 внешних автоморфизмов ; например, умножение углов поворота на 2.
D 10 имеет 10 внутренних автоморфизмов. Как и группа 2D изометрии D 10 , группа имеет зеркала с интервалом 18 °. 10 внутренних автоморфизмов обеспечивают вращение зеркал на 36 ° и отражения. В качестве группы изометрий есть еще 10 автоморфизмов; они сопряжены изометриями вне группы, поворачивая зеркала на 18 ° относительно внутренних автоморфизмов. В качестве абстрактной группы, помимо этих 10 внутренних и 10 внешних автоморфизмов, есть еще 20 внешних автоморфизмов; например, умножение оборотов на 3.
Сравните значения 6 и 4 для функции Эйлера , мультипликативной группы целых чисел по модулю n для n = 9 и 10, соответственно. Это утроит и удвоит количество автоморфизмов по сравнению с двумя автоморфизмами как изометриями (сохраняя порядок поворотов таким же или меняя порядок на противоположный).
Единственные значения n, для которых φ ( n ) = 2, равны 3, 4 и 6, и, следовательно, есть только три группы диэдра, которые изоморфны своим собственным группам автоморфизмов, а именно D 3 (порядок 6), D 4 ( порядок 8) и D 6 (порядок 12). [7] [8] [9]
Группа внутренних автоморфизмов [ править ]
Группа внутренних автоморфизмов D n изоморфна: [10]
- D n, если n нечетное;
- D n / Z 2, если n четное (для n = 2 , D 2 / Z 2 = 1 ).
Обобщения [ править ]
Есть несколько важных обобщений групп диэдра:
- Бесконечная группа диэдра является бесконечной группой с алгебраической структурой , похожей на конечные двугранные группы. Его можно рассматривать как группу симметрий целых чисел .
- Ортогональная группа O (2), то есть группа симметрии окружности , также имеет свойство , аналогичные свойства двугранных групп.
- Семейство обобщенных диэдральных групп включает оба приведенных выше примера, а также многие другие группы.
- В quasidihedral групп являются семейством конечных групп с аналогичными свойствами для двугранных групп.
См. Также [ править ]
Викискладе есть медиафайлы по теме диэдральных групп . |
- Координатные вращения и отражения
- Индекс цикла диэдральной группы
- Дициклическая группа
- Диэдральная группа порядка 6
- Диэдральная группа порядка 8
- Группы диэдральной симметрии в 3D
- Двугранная симметрия в трех измерениях
Ссылки [ править ]
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Группа диэдра» . MathWorld .
- ^ Даммит, Дэвид С .; Фут, Ричард М. (2004). Абстрактная алгебра (3-е изд.). Джон Вили и сыновья . ISBN 0-471-43334-9.
- ^ «Диэдральные группы: обозначения» . Проект математических изображений . Архивировано из оригинала на 2016-03-20 . Проверено 11 июня 2016 .
- ^ Кэмерон, Питер Джефсон (1998), Введение в алгебру , Oxford University Press, стр. 95, ISBN 9780198501954
- ^ Тот, Габор (2006), Проблески алгебры и геометрии , Тексты для студентов по математике (2-е изд.), Springer, стр. 98, ISBN 9780387224558
- ^ a b Ловетт, Стивен (2015), Абстрактная алгебра: структуры и приложения , CRC Press, стр. 71, ISBN 9781482248913
- ^ Хамфрис, Джон Ф. (1996). Курс теории групп . Издательство Оксфордского университета. п. 195. ISBN 9780198534594.
- ^ Педерсен, Джон. «Группы малого порядка» . Кафедра математики Университета Южной Флориды.
- ^ Соммер-Симпсон, Яша (2 ноября 2013 г.). "Группы автоморфизмов полупрямых произведений циклических групп" (pdf) . п. 13.
Следствие 7.3.
Aut (D
n
) = D
n
тогда и только тогда, когда
φ
(
n
) = 2
- ↑ Миллер, Джорджия (сентябрь 1942 г.). «Автоморфизмы групп диэдра» . Proc Natl Acad Sci USA . 28 : 368–71. DOI : 10.1073 / pnas.28.9.368 . PMC 1078492 . PMID 16588559 .
Внешние ссылки [ править ]
- Двугранная группа n порядка 2n. Автор: Шон Дудзик, Wolfram Demonstrations Project .
- Диэдральная группа в Groupprops
- Вайсштейн, Эрик В. «Диэдральная группа» . MathWorld .
- Вайсштейн, Эрик В. «Диэдральная группа D3» . MathWorld .
- Вайсштейн, Эрик В. «Диэдральная группа D4» . MathWorld .
- Вайсштейн, Эрик В. «Диэдральная группа D5» . MathWorld .
- Дэвис, Деклан. «Диэдральная группа D6» . MathWorld .
- Диэдральные группы на GroupNames