Симметрия (геометрия) - Symmetry (geometry)

Рисунок бабочки с двусторонняя симметрия, с левой и правой сторонами как зеркальное отображение друг друга.

В геометрия, объект имеет симметрия если есть операция или же трансформация (Такие как перевод, масштабирование, вращение или же отражение ), который отображает фигуру / объект на себя (т. е. объект имеет инвариантность под преобразованием).^[1][2] Таким образом, симметрию можно рассматривать как невосприимчивость к изменениям.^[3] Например, круг, повернутый вокруг своего центра, будет иметь ту же форму и размер, что и исходный круг, так как все точки до и после преобразования будут неразличимы. Таким образом, круг называется симметричный относительно вращения или иметь вращательная симметрия. Если изометрия является отражением плоская фигура о линии, тогда говорят, что фигура отражательная симметрия или же симметрия линий;^[4] также возможно, что фигура / объект имеет более одной линии симметрии.^[5]

Типы симметрии, которые возможны для геометрического объекта, зависят от набора доступных геометрических преобразований и от того, какие свойства объекта должны оставаться неизменными после преобразования. Поскольку композиция двух преобразований также является преобразованием, и каждое преобразование, по определению, имеет обратное преобразование, которое отменяет его, набор преобразований, при котором объект является симметричным, образуют математическую группа, то группа симметрии объекта.^[6]

Евклидовы симметрии в целом

Наиболее распространенная группа преобразований, применяемых к объектам, называется Евклидова группа из "изометрии ", которые представляют собой преобразования с сохранением расстояния в пространстве, обычно называемые двумерными или трехмерными (т. е. в плоская геометрия или же сплошная геометрия Евклидовы пространства ). Эти изометрии состоят из размышления, вращения, переводы, и комбинации этих основных операций.^[7] При изометрическом преобразовании геометрический объект называется симметричным, если после преобразования объект неотличим от объекта до преобразования.^[8] Геометрический объект обычно симметричен только в подмножестве или "подгруппа "всех изометрий. Типы подгрупп изометрий описаны ниже, за ними следуют другие виды групп преобразований и типы объектной инвариантности, которые возможны в геометрии.

Посредством Теорема Картана – Дьедонне, ортогональное преобразование в п-мерное пространство может быть представлено композицией не более п размышления.

Основные изометрии по размерности

	1D		2D		3D		4D
Размышления	Точка	Аффинный	Точка	Аффинный	Точка	Аффинный	Точка	Аффинный
1	Отражение		Отражение		Отражение		Отражение
2		Перевод	Вращение	Перевод	Вращение	Перевод	Вращение	Перевод
3				Трансфлексия	Rotoreflection	Трансфлексия	Rotoreflection	Трансфлексия
4						Ротационный перевод	Двойное вращение	Ротационный перевод
5								Вращательное трансфлексия

Отражательная симметрия

Основная статья: Отражательная симметрия

Отражательная симметрия, линейная симметрия, зеркальная симметрия, симметрия зеркального изображения или двусторонняя симметрия является симметрией относительно отражения.^[9]

В одном измерении есть точка симметрии, относительно которой имеет место отражение; в двух измерениях есть ось симметрии (также известная как линия симметрии), а в трех измерениях есть плоскость симметрии.^[4][10] Объект или фигура, для которых каждая точка имеет взаимно однозначное сопоставление с другой, равноудаленной от общей плоскости и с противоположных сторон от нее, называется зеркально-симметричной (подробнее см. зеркальное изображение ).

Ось симметрии двумерной фигуры - это такая линия, что если перпендикуляр построена, любые две точки, лежащие на перпендикуляре на равных расстояниях от оси симметрии, идентичны. Другой способ подумать об этом состоит в том, что если бы форму нужно было сложить пополам по оси, две половины были бы идентичны как зеркальное отображение друг друга. Например. а квадрат имеет четыре оси симметрии, потому что есть четыре разных способа сложить его, чтобы края совпадали друг с другом. Другой пример - это круг, через центр которого проходит бесконечно много осей симметрии по той же причине.^[11]

Если буква T отражается вдоль вертикальной оси, она выглядит так же. Иногда это называют вертикальной симметрией. Таким образом, можно однозначно описать это явление, сказав, что «Т имеет вертикальную ось симметрии» или что «Т имеет лево-правую симметрию».

В треугольники с симметрией отражения равнобедренный, то четырехугольники с этой симметрией воздушные змеи и равнобедренный трапеции.^[12]

Для каждой линии или плоскости отражения группа симметрии является изоморфный с C_s (видеть точечные группы в трех измерениях для большего), один из трех типов второго порядка (инволюции ), следовательно, алгебраически изоморфна C₂. В фундаментальная область это полуплоскость или же полупространство.^[13]

Точечное отражение и другие инволютивные изометрии

В двух измерениях точечное отражение - это поворот на 180 градусов.

Основная статья: Точечное отражение

Симметрию отражения можно обобщить на другие изометрии из м-мерное пространство, которое инволюции, Такие как

(Икс₁, ..., Икс_м) ↦ (−Икс₁, ..., −Икс_k, Икс_k+1, ..., Икс_м)

в определенной системе Декартовы координаты. Это отражает пространство вдоль (м−k)-размерный аффинное подпространство.^[14] Если k = м, то такое преобразование называется точечное отражение, или инверсия через точку. На самолет (м = 2) точечное отражение такое же, как и полу-повернуть (180 °) вращение; Смотри ниже. Антиподальная симметрия - альтернативное название симметрии точечного отражения через начало координат.^[15]

Такое «отражение» сохраняет ориентация если и только если k является четное номер.^[16] Это означает, что для м = 3 (как и для других нечетныхм) точечное отражение меняет ориентацию пространства, как симметрия зеркального изображения. Это объясняет, почему в физике термин П-симметрия (P означает паритет ) используется как для точечного отражения, так и для зеркальной симметрии. Поскольку точечное отражение в трех измерениях изменяет левая система координат в правая система координат, симметрия относительно точечного отражения также называется лево-правой симметрией.^[17]

Вращательная симметрия

Основная статья: Вращательная симметрия

В трискелион имеет 3-кратную вращательную симметрию.

Вращательная симметрия - это симметрия относительно некоторых или всех вращений в м-мерное евклидово пространство. Вращения прямые изометрии, которые являются изометриями, сохраняющими ориентация.^[18] Следовательно, группа симметрии вращательной симметрии является подгруппой специальной евклидовой группы E⁺(м).

Симметрия относительно всех вращений вокруг всех точек подразумевает трансляционную симметрию относительно всех трансляций (поскольку трансляции представляют собой композиции вращений вокруг различных точек),^[19] а группа симметрии - это все E⁺(м). Это не относится к объектам, поскольку делает пространство однородным, но может применяться к физическим законам.

Для симметрии относительно вращений вокруг точки, можно взять эту точку за начало координат. Эти вращения образуют специальная ортогональная группа ТАК(м), которую можно представить группой м × м ортогональные матрицы с детерминант 1. Для м = 3, это группа вращения SO (3).^[20]

Если сформулировать несколько иначе, группа вращения объекта - это группа симметрии внутри E⁺(м) - группа жестких движений;^[21] то есть пересечение полной группы симметрии и группы жестких движений. Для киральных объектов это то же самое, что и полная группа симметрии.

Законы физики являются SO (3) -инвариантными, если они не различают разные направления в пространстве. Потому что Теорема Нётер, вращательная симметрия физической системы эквивалентна угловой момент закон сохранения.^[22] Подробнее см. вращательная инвариантность.

Поступательная симметрия

А узор фриза с трансляционной симметрией

Основная статья: Поступательная симметрия

Трансляционная симметрия оставляет объект инвариантным относительно дискретной или непрерывной группы переводы ${\displaystyle \scriptstyle T_{a}(p)\;=\;p\,+\,a}$.^[23] На иллюстрации справа показаны четыре совпадающих треугольника, образованных перемещением по стрелке. Если бы линия треугольников продолжалась до бесконечности в обоих направлениях, то они имели бы дискретную трансляционную симметрию; любой перевод, который отображал один треугольник на другой, оставил бы всю строку без изменений.

Симметрия скользящего отражения

А узор фриза с симметрией скользящего отражения

Основная статья: Скользящее отражение

В 2D скользящее отражение симметрия (также называемая планер симметрия в 3D, а трансфлексия в общем) означает, что отражение на линии или плоскости в сочетании с перемещением вдоль линии или в плоскости приводит к тому же объекту (например, в случае следов).^[3][24] Сочетание двух скользящих отражений приводит к трансляционной симметрии с удвоенным вектором трансляции. Группа симметрии, включающая отражения скольжения и связанные с ними трансляции, - это группа фризов p11g, и изоморфна бесконечной циклической группе Z.

Симметрия углового отражения

А пятиугольная антипризма с отмеченными краями показывает симметрию зеркального отражения порядка 10.

Основная статья: неправильное вращение

В 3D вращательное отражение, вращательное отражение или же неправильное вращение представляет собой вращение вокруг оси в сочетании с отражением в плоскости, перпендикулярной этой оси.^[25] Группы симметрии, связанные с вращательным отражением, включают:

• если угол поворота не имеет общего делителя с 360 °, группа симметрии не является дискретной.
• если вращательное отражение имеет 2п-кратный угол поворота (угол 180 ° /п) группа симметрии S_2п порядка 2п (не путать с симметричные группы, для которых используются те же обозначения; абстрактная группа C_2n). Особый случай п = 1, an инверсия, потому что не зависит от оси и плоскости. Он характеризуется как раз точкой инверсии.
• Группа C_нэ (угол 360 ° /п); для нечетных п, это порождается одной симметрией, а абстрактная группа C_2п, даже для п. Тэто не базовая симметрия, а комбинация.

Подробнее см. группы точек в трех измерениях.

Спиральная симметрия

Смотрите также: Ось винта

В 3D-геометрии и выше ось винта (или вращательное перемещение) представляет собой комбинацию вращения и перемещения вдоль оси вращения.^[26]

Спиральный симметрия - это вид симметрии, наблюдаемый в повседневных объектах, таких как пружины, Обтягивающий игрушки сверла, и шнеки. Концепция спиральной симметрии может быть визуализирована как отслеживание в трехмерном пространстве, которое возникает в результате вращения объекта с постоянной величиной. угловая скорость, одновременно перемещаясь с постоянной линейной скоростью вдоль своей оси вращения. В любой момент времени эти два движения вместе дают угол намотки что помогает определить свойства трассируемой спирали.^[27] Когда отслеживаемый объект быстро вращается и медленно перемещается, угол намотки будет близок к 0 °. И наоборот, если объект медленно вращается и быстро перемещается, угол наматывания приближается к 90 °.

Непрерывная спираль

Можно выделить три основных класса спиральной симметрии, основанные на взаимодействии угла накрутки и трансляционной симметрии вдоль оси:

Обычный перекосапейрогон имеет дискретную (здесь 3-кратную) симметрию оси винта, нарисованную на перспектива.

В Спираль Бурдейка – Кокстера, построенный из расширенных правильных тетраэдров, является примером непериодической симметрии винтовой оси.

• Бесконечная винтовая симметрия: Если нет отличительных черт по длине спираль или спиралевидный объект, объект будет иметь бесконечную симметрию, очень похожую на симметрию круга, но с дополнительным требованием перемещения вдоль длинной оси объекта - чтобы вернуть ему первоначальный вид.^[28] Спиралевидный объект - это объект, который имеет в каждой точке правильный угол намотки спирали, но который также может иметь поперечное сечение неопределенно высокой сложности при условии, что точно такое же поперечное сечение существует (обычно после поворота) в каждой точке по длине объекта. Простые примеры включают в себя пружины с равномерной спиралью, амортизаторы, буровые коронки и шнеки. Точнее говоря, объект имеет бесконечную спиральную симметрию, если для любого небольшого вращения объекта вокруг его центральной оси существует точка поблизости (расстояние перемещения) на этой оси, в которой объект будет выглядеть точно так же, как и раньше. Именно эта бесконечная спиральная симметрия порождает любопытную иллюзию движения по длине вращающегося шнека или винтовой насадки. Это также обеспечивает механически полезную способность таких устройств перемещать материалы по их длине при условии, что они сочетаются с силой, такой как сила тяжести или трение, которая позволяет материалам сопротивляться простому вращению вместе с сверлом или шнеком.
• пспиральная симметрия: Если требование идентичности каждого поперечного сечения спирального объекта будет ослаблено, тогда станут возможными дополнительные меньшие спиральные симметрии. Например, поперечное сечение спирального объекта может измениться, но все же может регулярно повторяться вдоль оси спирального объекта. Следовательно, объекты этого типа будут демонстрировать симметрию после поворота на некоторый фиксированный угол θ и перемещения на некоторое фиксированное расстояние, но в общем случае не будут инвариантными для любого угла поворота. Если угол поворота, при котором возникает симметрия, равномерно делится на полный круг (360 °), то в результате получается спиральный эквивалент правильного многоугольника. Этот случай называется n-кратная спиральная симметрия, куда п = 360 ° (например, в случае двойная спираль ). Эта концепция может быть дополнительно обобщена, чтобы включить случаи, когда ${\displaystyle \scriptstyle m\theta }$ кратно 360° - то есть цикл в конечном итоге повторяется, но только после более чем одного полного поворота спирального объекта.
• Неповторяющаяся спиральная симметрия: Это тот случай, когда угол поворота θ, необходимый для соблюдения симметрии, равен иррациональный. Угол поворота никогда не повторяется в точности, независимо от того, сколько раз вращалась спираль. Такие симметрии создаются с помощью неповторяющегося точечная группа в двух измерениях. ДНК, примерно 10,5 пар оснований на оборот, является примером этого типа неповторяющейся спиральной симметрии.^[29]

Симметрия двойного вращения

A 4D клиффорд тор стереографически проецируется в 3D, выглядит как тор. Двойное вращение можно рассматривать как винтовой путь.

Смотрите также: Вращения в 4-мерном евклидовом пространстве § Двойные вращения

В 4D симметрия двойного вращения может быть создана как комбинация двух ортогональных вращений.^[30] Это похоже на трехмерную ось винта, которая представляет собой смесь вращения и ортогонального перемещения.

Неизометрические симметрии

Более широкое определение геометрической симметрии допускает операции из большей группы, чем евклидова группа изометрий. Примеры больших геометрических групп симметрии:

• Группа преобразования подобия;^[31] т.е. аффинные преобразования представлен матрица  А это скаляр, умноженный на ортогональная матрица. Таким образом гомотетия добавлен, самоподобие считается симметрией.
• Группа аффинных преобразований, представленная матрицейА с определителем 1 или -1; т.е. преобразования, сохраняющие площадь.^[32]

  Это добавляет, например, наклонный симметрия отражения.

• Группа всех биективных аффинные преобразования.
• Группа Преобразования Мебиуса которые сохраняют перекрестные отношения.

  Это добавляет, например, инверсивный размышления, такие как круг отражение в плоскости.

В Феликс Кляйн с Программа Эрланген каждая возможная группа симметрий определяет геометрию, в которой объекты, связанные членом группы симметрии, считаются эквивалентными.^[33] Например, евклидова группа определяет Евклидова геометрия, а группа преобразований Мёбиуса определяет проективная геометрия.

Масштабная симметрия и фракталы

А Юля набор имеет симметрию масштаба

Симметрия масштабирования означает, что при увеличении или уменьшении размера объекта новый объект имеет те же свойства, что и исходный.^[34] Это нет верно для большинства физических систем, о чем свидетельствует разница в форме ног слон и мышь (так называемый аллометрическое масштабирование ). Точно так же, если свечу из мягкого воска увеличить до размера высокого дерева, она сразу же рухнет под собственным весом.

Более тонкая форма симметрии масштаба демонстрируется фракталы. По задумке Бенуа Мандельброт, фракталы - это математическое понятие, в котором структура сложной формы выглядит одинаково при любой степени увеличение,^[35] хорошо видно в Набор Мандельброта. А морской берег является примером встречающегося в природе фрактала, поскольку он сохраняет похожую сложность на всех уровнях, от вида со спутника до микроскопического исследования того, как вода разбивается о отдельные песчинки. Ветвление деревьев, которое позволяет маленьким веткам заменять целые деревья в диорамы, еще один пример.

Поскольку фракталы могут создавать видимость закономерности в природе, они обладают красотой и знакомством, которые обычно не наблюдаются в математически созданных функциях. Фракталы тоже нашли место в компьютерные эффекты фильмов, где их способность создавать сложные кривые с фрактальной симметрией приводит к более реалистичным виртуальные миры.

Абстрактная симметрия

Взгляд Кляйна

С любой геометрией, Феликс Кляйн ассоциировал базовый группа симметрий. Таким образом, иерархия геометрий математически представлена ​​как иерархия этих группы, и иерархия их инварианты. Например, длина, углы и площади сохраняются относительно Евклидова группа симметрий, а только структура заболеваемости и перекрестное соотношение сохраняются в самых общих проективные преобразования. Концепция параллелизм, который сохранился в аффинная геометрия, не имеет смысла в проективная геометрия. Затем, абстрагируя лежащие в основе группы симметрий из геометрий, отношения между ними могут быть восстановлены на групповом уровне. Поскольку группа аффинной геометрии является подгруппа группы проективной геометрии любое понятие, инвариантное в проективной геометрии, является априори имеет смысл в аффинной геометрии; но не наоборот. Если вы добавите необходимые симметрии, у вас будет более мощная теория, но меньше понятий и теорем (которые будут более глубокими и общими).

Взгляд Терстона

Уильям Терстон представил аналогичный вариант симметрии в геометрии. А геометрия модели это односвязный гладкое многообразие Икс вместе с переходным действием Группа Ли грамм на Икс с компактными стабилизаторами. В Группа Ли можно рассматривать как группу симметрий геометрии.

Геометрия модели называется максимальный если грамм максимальна среди групп, действующих гладко и транзитивно на Икс с компактными стабилизаторами, т.е. если это максимальная группа симметрий. Иногда это условие включается в определение геометрии модели.

А геометрическая структура на коллекторе M является диффеоморфизмом из M к Икс/ Γ для некоторой геометрии модели Икс, где Γ - дискретная подгруппа группы грамм действовать свободно на Икс. Если данное многообразие допускает геометрическую структуру, то оно допускает такое, модель которого максимальна.

А 3-х мерная геометрия модели Икс имеет отношение к гипотезе геометризации, если она максимальна и если существует хотя бы одно компактное многообразие с геометрической структурой, моделируемой на Икс. Терстон классифицировал 8 геометрических моделей, удовлетворяющих этим условиям; они перечислены ниже и иногда называются Геометрии Терстона. (Существует также несчетное количество геометрий моделей без компактных частных.)

Смотрите также

• Фрактал
• Симметричное отношение

Рекомендации

1. «Окончательный словарь высшего математического жаргона - инвариантность». Математическое хранилище. 2019-08-01. Получено 2019-12-06.
2. Мартин, Г. (1996). Преобразовательная геометрия: введение в симметрию. Springer. п. 28.
3. «Симметрия | Размышляя о геометрии | Подпольная математика». Undergroundmat Mathematics.org. Получено 2019-12-06.
4. «Симметрия - MathBitsNotebook (Geo - CCSS Math)». mathbitsnotebook.com. Получено 2019-12-06.
5. Фрейтаг, Марк (2013). Математика для учителей начальной школы: процессный подход. Cengage Learning. п. 721.
6. Миллер, Уиллард младший (1972). Группы симметрий и их приложения. Нью-Йорк: Academic Press. OCLC  589081. Архивировано из оригинал на 2010-02-17. Получено 2009-09-28.
7. "Теория многомерных групп". Архивировано из оригинал на 2012-07-23. Получено 2013-04-16.
8. «2.6 Симметрия отражения». Фундамент СК-12. Получено 2019-12-06.
9. Вейль, Германн (1982) [1952]. Симметрия. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN  0-691-02374-3.
10. Cowin, Стивен С .; Доти, Стивен Б. (2007). Механика тканей. Springer. п.152.
11. Кальдекотт, Стратфорд (2009). Красота ради правды: о новом очаровании образования. Brazos Press. п. 70.
12. Bassarear, Том (2011). Математика для учителей начальной школы (5-е изд.). Cengage Learning. п. 499.
13. Джонсон, Н. В. Джонсон (2018). «11: Конечные группы симметрии». Геометрии и преобразования. Издательство Кембриджского университета.
14. Хертрих-Джеромин, Удо (2003). Введение в дифференциальную геометрию Мёбиуса. Издательство Кембриджского университета.
15. Дик, Таммо (2008). Алгебраическая топология. Европейское математическое общество. стр.261. ISBN  9783037190487.
16. Уильям Х. Баркер, Роджер Хау Непрерывная симметрия: от Евклида до Клейна (электронная книга Google) Американское математическое общество
17. W.M. Гибсон и Б. Поллард (1980). Принципы симметрии в физике элементарных частиц. Издательство Кембриджского университета. С. 120–122. ISBN  0 521 29964 0.
18. Иванчевич Владимир Г., Иванцевич Тияна Т. (2005) Естественная биодинамика Всемирный научный
19. Певец, Дэвид А. (1998). Геометрия: плоскость и фантазия. Springer Science & Business Media.
20. Джоши, А. В. (2007). Элементы теории групп для физиков. New Age International. стр. 111 и далее.
21. Хартсхорн, Робин (2000). Геометрия: Евклид и не только. Springer Science & Business Media.
22. Косманн-Шварцбах, Иветт (2010). Теоремы Нётер: законы инвариантности и сохранения в двадцатом веке. Источники и исследования по истории математики и физических наук. Springer-Verlag. ISBN  978-0-387-87867-6.
23. Стенджер, Виктор Дж. (2000) и Махоу Широ (2007). Вневременная реальность. Книги Прометея. Особенно главу 12. Нетехнические.
24. Мартин, Джордж Э. (1982), Преобразовательная геометрия: введение в симметрию, Тексты для бакалавриата по математике, Springer, стр. 64, ISBN  9780387906362.
25. Роберт О. Гулд, Штеффен Борхардт-Отт (2011)Кристаллография: введение Springer Science & Business Media
26. Боттема, О. и Б. Рот, Теоретическая кинематика, Dover Publications (сентябрь 1990 г.)
27. Джордж Р. МакГи (2006) Геометрия эволюции: адаптивные пейзажи и теоретические морфопространства Издательство Кембриджского университета с.64
28. Анна Урсын (2012) Биологически вдохновленные вычисления для искусства: научные данные через графику IGI Global Snippet стр.209^{[требуется разъяснение ]}
29. Синден, Ричард Р. (1994). Структура и функция ДНК. Gulf Professional Publishing. п. 101. ISBN  9780126457506.
30. Чарльз Ховард Хинтон (1906) Четвертое измерение (электронная книга Google) С. Зонненшайн и Компания стр.223
31. H.S.M. Coxeter (1961,9) Введение в геометрию, §5 Подобие в евклидовой плоскости, стр. 67–76, §7 Изометрия и подобие в евклидовом пространстве, стр. 96–104, Джон Уайли и сыновья.
32. Уильям Терстон. Трехмерная геометрия и топология. Vol. 1. Под редакцией Сильвио Леви. Princeton Mathematical Series, 35. Princeton University Press, Princeton, NJ, 1997. x + 311 pp. ISBN  0-691-08304-5
33. Кляйн, Феликс, 1872. «Vergleichende Betrachtungen über neuere geometrische Forschungen» («Сравнительный обзор последних исследований в области геометрии»), Mathematische Annalen, 43 (1893), стр. 63–100 (Также: Gesammelte Abh. Vol. 1, Springer, 1921, стр. 460–497).

    Английский перевод Меллен Хаскелл появился в Бык. N. Y. Math. Soc 2 (1892–1893): 215–249.

34. Тиан Ю Цао Концептуальные основы квантовой теории поля Издательство Кембриджского университета с.154-155
35. Гуйе, Жан-Франсуа (1996). Физика и фрактальные структуры. Париж / Нью-Йорк: Массон Спрингер. ISBN  978-0-387-94153-0.

внешняя ссылка

• Калотта: мир симметрии
• Голландский: симметрия вокруг точки на плоскости