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三維點群

幾何學中,三維點群是三維空間中,任何一個固定原點的對稱群。等價的說法是,其為球面的對稱群。此類群皆為正交群子群,即固定原點的全體等距同構組成的,亦可視為全體正交矩陣的乘法群。本身則是全體等距同構的歐氏群的子群。

立體的對稱群必由等距同構組成,反之,要分析等距對稱構成的群,就是分析所有可能的對稱。有界三維立體的全體等距同構,必存在共同的不動點,不妨設其中之一為原點。

立體的對稱群,有時稱為全體對稱群作強調,用以突顯與旋轉群(或真對稱群)的分別。立體的旋轉群是其全體對稱群與三維空間本身的旋轉群之交。立體的旋轉群等於全體對稱群,當且僅當立體具手性英语chirality (mathematics)

三維點群在化學廣泛用於描述分子的對稱,及組成共價鍵分子軌域的對稱。此背景下,也稱分子對稱群

有限考克斯特群是一族特殊的點群,僅由過原點的若干個鏡射生成。階考克斯特群是由個鏡射生成,可以考克斯特-丹金圖英语Coxeter–Dynkin diagram表示。考克斯特符號英语Coxeter notation則改為用方括號和數字描述,並設有其他標記,用以表示旋轉群或其他子群。

群結構 编辑

直接歐氏群的子群,其元素皆是直接等距同構,即保持定向的等距變換。僅含保持原點不變的直接等距同構。

則是點反演生成的群直積:(此處點反演以其矩陣表示,即單位矩陣乘上。)

所以,三維空間中,藉點反演,可以得到直接與間接等距變換之間的一一對應,此外,中僅由直接等距變換組成的子群(必包含在中,亦與中含有點反演的子群一一對應。對應關係如下:

例如,若,則;若,則。(定義載於下文。)

若直接等距同構群指數英语Index of a subgroup的子群,則除以上含點反演的子群外,還有另一個對應的子群

含有間接等距變換,但不含點反演。式中視為等同。舉例,而

換言之,是將中的變換,乘上得到。此群作為抽象群與同構。反之,任意對稱群,若有間接等距變換,但無點反演,則可以將所有間接變換反演,而變成旋轉群。等距群的分類(見下文)中,可以用此性質化簡問題。

二維情況下,旋轉循環群皆是正規子群。在三維中,固定旋轉軸,則相應有繞該軸的重循環群,是繞該軸的全體旋轉群的正規子群。此外,由於指數為的子群必正規,中正規,也在中正規。此處是向添加過旋轉軸的反射面生成,而則是向添加與軸垂直的反射面生成。

固定原點的三維等距變換 编辑

的等距變換中,固定原點的變換,組成正交群,簡記為。其元素分類如下:

  • 子群中:
    • 單位(恆等變換);
    • 繞過原點某軸的旋轉,且角度不為
    • 繞過原點某軸的旋轉,且角度為
  • 及以上變換但額外乘上點反演(將向量映去),即:
    • 點反演;
    • 繞過原點的某軸,作角度不為的旋轉,後再作一次鏡射,鏡射面過原點,且與旋轉軸垂直;
    • 關於過原點某平面的鏡射。

後三種元素又稱瑕旋轉。(視乎定義,末一種未必算。)

連同平移變換的簡介,見歐幾里得群

共軛 编辑

比較兩件立體的對稱類時,原點可以分別選取,即兩件立體的中心不必相同。更甚者,兩件立體具有相同對稱類,意思是其對稱群中為共軛子群,即存在,使

舉例:

  • 兩件立體各僅有鏡射對稱,即使並非關於同一鏡面,仍屬同樣的對稱類;
  • 同樣,若各僅有三重旋轉對稱,即使軸向不同,仍屬同樣的對稱類。

若立體的對稱群有多條旋轉軸或多個鏡面,或兩者皆有,則兩個對稱群同屬一類,當且僅當有另一個旋轉,將前一個對稱群的整個結構,變換成後一個對稱群。(此種旋轉會多於一個,但不會是無窮多個。僅有一條旋轉軸或一個鏡面時,此種旋轉方會有無窮多個。)按定義,上文的不必為旋轉,也可以為鏡射,然而,由於對稱群的結構不具手性,祇需取為旋轉。(但空間群則不然,有空間群具有手性,因為有螺旋變換。)

無窮等距變換群 编辑

有許多無窮等距變換群,如繞任意軸轉任意無理角度(即圈數或度數為無理數,或弧度數為的無理數倍)的旋轉,所生成的無窮循環群;若加入繞同一軸的其他旋轉,還可以組成許多非循環的交換群。取不共軸的旋轉,則生成非交換群。一般而言英语Generic property,此等非交換群皆為自由群。僅有特別選取的旋轉,方能得到有限群,否則一般皆是無窮群。

作為拓撲群的子群,上述無窮子群皆非閉子群。以下討論的拓撲閉子群:

無標記特定點的球面,對稱群為
  • 整個球對稱群、
  • 相應的旋轉群
  • 其他無窮等距變換群有五個,皆含有過原點的某軸,繞該軸的所有旋轉,另外可以:
    • 添加或不添加過軸的各鏡面反射,
    • 另添加或不添加過原點與軸垂直的鏡面反射。(共四個)
    • 最後,若以上兩種反射都無添加,則可以只添加兩者的複合,相當於添加與原旋轉軸垂直的軸上的旋轉。(一個)

添加過軸的各鏡面反射的群,不論有否添加過原點與軸垂射的鏡面反射,稱為兩種圓柱對稱性。注意若物理實體有無窮旋轉對稱,則亦必關於過軸的鏡面對稱。

此七個連續群,稱為極限點群居里極限群,得名自最早研究此種群的皮埃尔·居里[1][2]軸向群可以分成七列無窮序列,其極限給出五個軸向極限群(有兩個重複),而則不是軸向群的極限。國際記號中,此七個群記為,次序在下文明確給出。[3]

有限等距變換群 编辑

三維空間的對稱中,保持原點不動,等價於保持以原點為球心的球面。關於有限的三維點群,亦可參見球面有限對稱群列表英语List of finite spherical symmetry groups

不別共軛之異,三維有限點群只有:

  • 個無窮列,此七類群中,每個群至多一條旋轉軸有多於兩重旋轉。該些群皆是圓柱面的對稱群(的有限子群),其中圓柱面有限長或無限長是等價的,有時稱為軸向點群(英語:axial point groups)或棱柱點群(英語:prismatic point groups)。
  • 個其他點群,每個有至少兩條至少三重的旋轉軸;也可以等價寫成有至少兩條三重旋轉軸,因為全部七個都有多條三重旋轉軸。若數出其三重以上的旋轉軸,所有可能組合有:
    • 條三重軸、
    • 條三重軸及條四重軸、
    • 條三重軸及條五重軸。

根據晶體學限制定理,僅得很少點群與離散平移對稱英语translational symmetry相容:七列軸向點群中,有個;七個其他點群中,有個,合共個,稱為晶體學點群

七類軸向點群 编辑

有七列軸向點群。每列有無窮多個群,各可用正整數標示。每列第個群,含繞某軸的重旋轉,即旋轉,故對應轉一整圈,即不旋轉。七列軸向點群中,四列無其他旋轉軸(稱循環對稱英语Cyclic symmetry in three dimensions),另三列有其他二重旋轉軸(稱二面對稱英语dihedral symmetry)。該些群可以視為二維點群英语point groups in two dimensions添加軸向坐標和關於軸的反射而成,也與帶群英语frieze group相關。[4] 可以將軸向點群理解為帶群的圖案在繞柱面恰好重複次。

下表列出點群的幾種記號:晶體學赫爾曼–莫甘記號分子對稱性熊夫利記號英语Schönflies notation軌形記號英语orbifold notation考克斯特記號英语Coxeter notation。後三者不僅方便讀出群的性質,還與群的階數密切相關。軌形記號同時通用於牆紙群英语wallpaper group帶群英语frieze group。晶體群的僅能取晶體學限制定理),而若移除該限制,則可取任意正整數。七列軸向點群為:

赫-莫 熊夫利英语Schönflies notation 軌形英语orbifold notation 考克斯特英语Coxeter notation 帶群英语Frieze group 抽象結構
群階英语Symmetry number
例子 備註
(圓柱)

p1 循環群
重旋轉對稱

p11g
旋轉反射對稱
勿與抽象對稱群混淆

p11m

p1m1 二面體群
稜錐對稱
生物學又稱雙輻射狀對稱

p211
二面體對稱英语Dihedral symmetry in three dimensions

p2mg
反稜柱對稱

p2mm
稜柱對稱

對奇數,有抽象群同構

(包括平凡群)及有手性,其他則無手性。

術語水平horizontal, h)與豎直vertical, v)描述反射面的方向,以旋轉軸為豎直,故反射面水平即垂直於與旋轉軸,反射面豎直即包含為旋轉軸。相應下標用字母h和v。

最簡單的非平凡軸向群皆同構於抽象群,但是的不同子群(即不共軛):

  • (等同)——點反演對稱
  • ——二重旋轉對稱
  • (等同)——反射對稱生物學英语Symmetry in biology又稱兩側對稱(英語:bilateral symmetry)。
七條圓柱形帶上,印有不同圖樣,使各自的對稱群等於七列軸向群中,取的情況。

第一組單軸循環群中,的階為(二維情況同樣適用),是由單一個角度為的旋轉生成。若向此群加入一個與軸垂直的鏡面(的反射),則生成,階為。若不加入與軸垂直的鏡面,但加入塊通過軸的鏡面,則得到,階亦為。後者是正稜錐的對稱群。具的典型物體是螺旋槳

若上述兩種鏡面皆加入,則水平鏡面與豎直鏡面相交得到條軸,而鏡射的複合生成繞該些軸的旋轉,故群不再單軸。新群的階為,記為。其旋轉子群為個元素的二面體群,仍有與主(重)旋轉軸垂直的二重旋轉軸,但不再有鏡面。

注意,在二維,包括鏡射,但鏡射也可以視為將不辨前後之別的扁平物體翻轉得到。但在三維,鏡射與翻轉不再相同:群有翻轉但無鏡射。

餘下一類是(或),其有包含主旋轉軸的豎直鏡面,但沒有水平鏡面,取而代之的操作是先水平鏡射,再旋轉是正棱柱雙稜錐的對稱群。則是正反棱柱的對稱群,亦是正偏方面體的對稱群。最後,是稍稍扭過的正棱柱的對稱群。

較特殊,因為並無特別的主旋轉軸:三條互相垂直的旋轉軸皆為二重軸。是下節所有多面體對稱群的子群,而則是多面體群的子群。可以作為下列化學品的對稱群:

  • 刀豆蛋白A同四聚體英语homotetramer
  • 四個相同具手性配位基英语chiral ligand的四面體形配合物
  • 四個同手性氟氯甲基的四(氟氯甲基)甲烷。

的元素,與利普希茨四元數英语Lipschitz quaternion可逆元表示的旋轉,有一對二的關係。

由「先關於水平面作鏡射,再旋轉」生成。對於奇數,是等於前述兩個操作分開執行,生成的群,階為,故不必用到記號。然而,對偶數,兩個群有差異,且僅有個元素。與類似,其包含若干瑕旋轉,但不包含對應的旋轉。

七列軸向群的元素僅有下列四對重複:

  • :階數為,由獨一個鏡射生成。又稱
  • :階數為,由獨一個旋轉生成。
  • :階數為,由一個鏡射與鏡面上一條軸的旋轉生成。
  • :階數為,由一個鏡射與一條垂直於鏡面的軸的旋轉生成。

是由獨一個點反演生成的階群,又記為

此處「重複」是指作為的子群共軛,是強於作為抽象群代數同構的條件。例如,前一種意義下,有三個不同的階群,但祇有一個階抽象群。類似,也有抽象同構。

群的構造亦可描述如下:

  • 是由獨一個元素生成,生成元亦稱為,是繞軸轉。群的元素是:(單位元),,對應旋轉角。該軸視為豎直軸。
  • 由獨一個元素生成,其中是水平面的鏡射。群的元素是的元素,另加
  • 與反射生成。群的元素是的元素,另加
  • 與豎直鏡面的反射生成。群的元素是的元素,另加
  • 是由與繞水平面上某軸的旋轉,其元素是的元素,另加
  • 由元素生成。元素是的元素,加上的額外元素,再加上
  • 由元素生成。其元素為的元素,再加上的所有額外元素。

趨向的極限,則得到連續軸向群(或無窮階軸向群):

赫-莫 熊夫利英语Schönflies notation 軌形英语orbifold notation 考克斯特英语Coxeter notation 是何序列的極限 抽象群

七個其他點群 编辑

餘下七個點群又稱為高度對稱或多面體對稱,因為有多於一條旋轉軸的重數大於二。下表中,表示一條重軸,即旋轉角為則表示同樣旋轉角的瑕旋轉軸。所用記號,首先是字母表示的熊夫利記號英语Schönflies notation,然後括號內為軌形記號英语orbifold notation,然後為考克斯特記號英语Coxeter notation及圖,最後是赫爾曼–莫甘記號及倘有的簡寫。




階為
手性四面體對稱英语tetrahedral symmetry 有四條軸,是立方體的四條體對角線,也可以看成正四面體四個頂點分別到對面中心的連線。另有三條軸,是立方體三組對面的中心連線,也是正四面體三組對邊的中點連線。同構交錯群,即四個元素的偶排列的群。本群為正四面體的旋轉群,也是及以下兩種八面體對稱群的正規子群。本群的個元素,與赫維茲四元數英语Hurwitz quaternion可逆元,有一對二的關係,而後者又稱為二元四面體群英语binary tetrahedral group



階為
全四面體對稱 本群與有相同的旋轉軸,但另有六塊鏡面,每塊經過立方體的兩條不在同一面的平行邊,也是正四面體六條稜各自的垂直平分面。每塊鏡面包含一條軸,兩條軸。原軸,加入鏡射後,變成軸。本群是正四面體的對稱群。同構於個元素的對稱群,因為的元素,會將軸重新排列,而元素與此四條軸的排列一一對應。若一件物體繞其中一條三重軸,有對稱,則在作用下,軌道有四件同樣的物體,就對應此四件物體的排列的集合。的正規子群。



階為
五角十二面體對稱
排球的縫線有。(立方五角十二面體
本群與的旋轉軸相同,另有與立方體的面平行的鏡面。四條軸變成軸,並有關於中心的反演對稱。同構於(因為皆是正規子群),而與對稱群不同構。若在立方體的每個面上,各畫一條線段,將該面分成兩個全等的長方形,且使得新增的線段不會相交於稜上,則所得的圖形的對稱群為。該些對稱是:立面體四條體對角線的偶排列,及該等偶排列與中心反演的複合。本群亦是五角十二面體的對稱群。五角十二面體與前述的(面經分割的)立方體類似,但其中每個長方形換成有四邊等長,具一條對稱軸的五角形,而五角形餘下一條不同長度的邊,對應立方體的面上新增的線段。換言之,可以想像立方體的面在分割線隆起,並在該處變窄(即分割線變短)。本群為全二十面體對稱群的子群(但不正規),且是作為等距變換群的子群,而不僅是抽象子群。全二十面體對稱群有十條三重軸,而本群有其中四條。本群亦為的正規子群。雖然記作,本群並非任何四面體(英語:Tetrahedron)的對稱群。



階為
手性八面體對稱英语octahedral symmetry 本群與類似,但各軸現改成軸,並有額外六條軸,是過正方體中心與(六對)稜中點的直線。本群與同構,因為其元素與四條三重軸的個排列一一對應,與類似。若物體繞某條三重軸有對稱,則在作用下,軌道有四件同樣的物體,而的元素也一一對應此四件物體的排列。本群是立方體正八面體的旋轉群。若用四元數表示旋轉,則對應赫維茲四元數英语Hurwitz quaternion可逆元及範數平方為利普希茨四元數英语Lipschitz quaternion,各除以。與類似,此為一對二的關係。



階為
全八面體對稱 本群與有同樣的旋轉軸,但也有鏡射,有齊的所有鏡面。本群同構於(因為皆為正規子群),且是立方體正八面體的對稱群。見八面體對稱英语octahedral symmetry



階為
手性二十面體對稱英语icosahedral symmetry 本群為正二十面體正十二面體的旋轉群,亦是全正二十面體對稱群指標英语index of a subgroup正規子群。本群的子群中,有十個與六個(即稜柱或反稜柱的旋轉群)。本群也包含五個子群(見五複合正四面體)。抽象而言,同構交錯群,因為其元素作用在五個子群上,與其偶排列一一對應。等價地,可以考慮對前述五複合正四面體的五個單體的作用。以四元數表示旋轉,則對應二十數英语icosian可逆元。與先前一樣,此為一對二的關係。



階為
全二十面體對稱 本群為正二十面體與正十二面體的對稱群。與抽象群同構,因為皆是正規子群。本群的子群中,有十個、六個(反稜柱的對稱)、五個

相關的連續群有:

  • 旋轉群,即所有旋轉的群,亦記作
  • 正交群,所有旋轉和鏡射生成的群,亦記作

無窮等距變換群一節所言,任何物理實體,若有對稱性,則必有對稱性。

軌形記號與階 编辑

若已知群的軌形記號,則可計算其階數,等於除以軌形英语orbifold歐拉示性數。軌形的歐拉示性數是將減去軌形記號中,各符號特徵數的總和:

  • 或在之前的,值為
  • 之後的,值為
  • 計為

此公式同樣適用於壁紙群英语wallpaper group帶群英语frieze group:對該等群,特徵數之和為,所以階數是無窮大。亦見壁紙群英语wallpaper group條目。

反射考克斯特群 编辑

三維考克斯特群的基本域

塊鏡

塊鏡

塊鏡

塊鏡

塊鏡

塊鏡

塊鏡

塊鏡

塊鏡

三維反射點群又稱為考克斯特群,能以考克斯特-鄧肯圖英语Coxeter-Dynkin diagram表示,是交於同一個中心點的若干鏡面反射生成的群。該些鏡面將球面分割成球面三角形區域。若考克斯特群能以少於三個鏡射生成,則該球面三角形退化,變成球面二角形英语lune (mathematics)半球面。在考克斯特記號英语Coxeter notation,該些群是正四面體對稱英语tetrahedral symmetry正八面體對稱英语octahedral symmetry正二十面體對稱英语icosahedral symmetry二面體對稱英语Dihedral symmetry in three dimensions。不可約群的鏡面數是,其中是群的考克斯特數英语Coxeter number,而是反射方向的秩(維數),等於符號的下標。[5]

熊夫利記號英语Schönflies notation 考克斯特-
鄧肯圖標籤
考克斯特記號英语Coxeter notation 群階 考克斯特數英语Coxeter number
鏡數
多面體群英语Polyhedral group
二面體群英语Dihedral symmetry in three dimensions