三維點群

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Template:Merge 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O(3)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。O(3)本身則是全體等距同構的歐氏群E(3)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SO(3)之交。立體的旋轉群等於全體對稱群,當且僅當立體具Template:Le

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。n階考克斯特群是由n個鏡射生成,可以Template:Le表示。Template:Le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

SO(3)直接歐氏群E+(3)的子群,其元素皆是直接等距同構,即保持定向的等距變換。SO(3)僅含保持原點不變的直接等距同構。

O(3)則是SO(3)點反演生成的群{I,I}直積:(此處點反演以其矩陣I表示,即單位矩陣I乘上1。)

O(3)=SO(3)×{I,I}.

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,O(3)中僅由直接等距變換組成的子群H(必包含在SO(3)中,亦與O(3)中含有點反演的子群K一一對應。對應關係如下:

K=H×{I,I},
H=KSO(3).

例如,若HC2,則KC2h;若HC3,則KS6。(定義載於下文。)

若直接等距同構群HTemplate:Le2的子群L,則除以上含點反演的子群外,還有另一個對應的子群

M=L((HL)×{I}),

含有間接等距變換,但不含點反演。式中(A,I)A視為等同。舉例HC4,而MS4

換言之,M是將HL中的變換,乘上I得到。此群M作為抽象群與H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,k旋轉循環群Ck皆是O(2)SO(2)正規子群。在三維中,固定旋轉軸,則相應有繞該軸的k重循環群Ck,是繞該軸的全體旋轉群的正規子群。此外,由於指數為2的子群必正規,CnCnv中正規,也在Cnh中正規。此處Cnv是向Cn添加過旋轉軸的反射面生成,而Cnh則是向Cn添加與軸垂直的反射面生成。

固定原點的三維等距變換

R3的等距變換中,固定原點的變換,組成正交群O(3,),簡記為O(3)。其元素分類如下:

  • 子群SO(3)中:
    • 單位(恆等變換);
    • 繞過原點某軸的旋轉,且角度不為180
    • 繞過原點某軸的旋轉,且角度為180
  • 及以上變換但額外乘上點反演(將向量x映去x),即:
    • 點反演;
    • 繞過原點的某軸,作角度不為180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

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H1,H2O(3)中為共軛子群,即存在gO(3),使H1=g1H2g

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g,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g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g為旋轉。(但空間群則不然,有11空間群具有手性,因為有螺旋變換。)

無窮等距變換群

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π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。Template:Le,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O(3)的子群,上述無窮子群皆非閉子群。以下討論O(3)的拓撲閉子群:

無標記特定點的球面,對稱群為O(3)
  • 整個O(3)球對稱群、
  • 相應的旋轉群SO(3)
  • 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180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O(3)SO(3)則不是軸向群的極限。國際記號中,此七個群記為, 2, /m, mm, /mm, , m,次序在下文明確給出。[3]

有限等距變換群

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Template:Le

不別共軛之異,三維有限點群只有:

  • 7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Template:Lang-en)或棱柱點群Template:Lang-en)。
  • 7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:
    • 4條三重軸、
    • 4條三重軸及3條四重軸、
    • 10條三重軸及6條五重軸。

根據晶體學限制定理,僅得很少點群與離散Template:Le相容:七列軸向點群中,有27個;七個其他點群中,有5個,合共32個,稱為晶體學點群

七類軸向點群

有七列軸向點群。每列有無窮多個群,各可用正整數n標示。每列第n個群,含繞某軸的n重旋轉,即旋轉360/n,故n=1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Template:Le),另三列有其他二重旋轉軸(稱Template:Le)。該些群可以視為Template:Le添加軸向坐標和關於軸的反射而成,也與Template:Le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n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Template:LeTemplate:LeTemplate:Le。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Template:LeTemplate:Le。晶體群的n僅能取1,2,3,4,6晶體學限制定理),而若移除該限制,則n可取任意正整數。七列軸向點群為:

赫-莫 Template:Le Template:Le Template:Le Template:Le 抽象結構
Template:Le
例子 備註
n n (圓柱)
n Cn nn [n]+
Template:CDD
p1 循環群Zn
n
n重旋轉對稱
2n n S2n n× [2n+,2+]
Template:CDD
p11g Z2n
2n
n旋轉反射對稱
勿與2n抽象對稱群混淆
n/m 2n Cnh n* [n+,2]
Template:CDD
p11m Zn×Z2
2n
nmm nm Cnv *nn [n]
Template:CDD
p1m1 二面體群Dihn
2n
稜錐對稱
生物學又稱雙輻射狀對稱
n22 n2 Dn 22n [n,2]+
Template:CDD
p211 Dihn
2n
Template:Le
2n2m nm Dnd 2*n [2n,2+]
Template:CDD
p2mg Dih2n
4n
反稜柱對稱
n/mmm 2n2m Dnh *22n [n,2]
Template:CDD
p2mm Dihn×Z2
4n
稜柱對稱

對奇數n,有抽象群同構Z2nZn×Z2Dih2nDihn×Z2

Cn(包括平凡群C1)及Dn有手性,其他則無手性。

術語水平Template:Lang)與豎直Template:Lang)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Z2,但是O(3)的不同子群(即不共軛):

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n=6的情況。

第一組單軸循環群中,Cn的階為n(二維情況同樣適用),是由單一個角度為360/n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Cnh,階為2n。若不加入與軸垂直的鏡面,但加入n塊通過軸的鏡面,則得到Cnv,階亦為2n。後者是正n稜錐的對稱群。具CnDn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n條軸,而鏡射的複合生成繞該些軸的180旋轉,故群不再單軸。新群的階為4n,記為Dnh。其旋轉子群為2n個元素的二面體群Dn,仍有與主(n重)旋轉軸垂直的二重旋轉軸,但不再有鏡面。

注意,在二維,Dn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Dn有翻轉但無鏡射。

餘下一類是Dnd(或Dnv),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180/nDnh是正n棱柱雙稜錐的對稱群。Dnd則是正n反棱柱的對稱群,亦是正n偏方面體的對稱群。最後,Dn是稍稍扭過的正n棱柱的對稱群。

D2D2h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。D2是下節所有多面體對稱群的子群,而D2h則是多面體群ThOh的子群。D2可以作為下列化學品的對稱群:

D2的元素,與Template:Le可逆元表示的旋轉,有一對二的關係。

Sn由「先關於水平面作鏡射,再旋轉360/n」生成。對於奇數n,是等於前述兩個操作分開執行,生成的群Cnh,階為2n,故不必用到記號Sn。然而,對偶數n,兩個群有差異,且Sn僅有n個元素。與Dnd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:

  • C1hC1v:階數為2,由獨一個鏡射生成。又稱Cs
  • D1C2:階數為2,由獨一個180旋轉生成。
  • D1hC2v:階數為4,由一個鏡射與鏡面上一條軸的180旋轉生成。
  • D1dC2h:階數為4,由一個鏡射與一條垂直於鏡面的軸的180旋轉生成。

S2是由獨一個點反演生成的2階群,又記為Ci

此處「重複」是指作為O(3)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2階群,但祇有一個2階抽象群。類似,也有S2nZ2n抽象同構。

群的構造亦可描述如下:

  • Cn是由獨一個元素生成,生成元亦稱為Cn,是繞軸轉2π/n。群的元素是:E(單位元),Cn,Cn2,,Cnn1,對應旋轉角0, 2π/n, 4π/n, , 2(n1)π/n。該軸視為豎直軸。
  • S2n由獨一個元素C2nσh生成,其中σh是水平面的鏡射。群的元素是Cn的元素,另加C2nσh, C2n3σh, C2n5σh, , C2n2n1σh
  • CnhCn與反射σh生成。群的元素是Cn的元素,另加σh, Cnσh, Cn2σh, , Cnn1σh
  • CnvCn與豎直鏡面的反射σv生成。群的元素是Cn的元素,另加σv, Cnσv, Cn2σv, , Cnn1σv
  • Dn是由Cn與繞水平面上某軸180的旋轉U=σhσv,其元素是Cn的元素,另加U, CnU, Cn2U, , Cnn1U
  • Dnd由元素C2nσhσv生成。元素是Cn的元素,加上S2nCnv的額外元素,再加上C2nσhσv, C2n3σhσv, C2n5σhσv, , C2n2n1σhσv
  • Dnh由元素Cn, σh, σv生成。其元素為Cn的元素,再加上Cnh, Cnv, Dn的所有額外元素。

n趨向的極限,則得到連續軸向群(或無窮階軸向群):

赫-莫 Template:Le Template:Le Template:Le 是何序列的極限 抽象群
C []+ Template:CDD Cn Z SO(2)
, /m Ch * [2,+] Template:CDD Cnh, S2n Z2×Z Z2×SO(2)
m Cv * [] Template:CDD Cnv Dih O(2)
2 D 22 [2,]+ Template:CDD Dn Dih O(2)
m, /mm Dh *22 [2,] Template:CDD Dnh, Dnd Z2×Dih Z2×O(2)

七個其他點群

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,Cn表示一條n重軸,即旋轉角為360/nSn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Template:Le,然後括號內為Template:Le,然後為Template:Le及圖,最後是赫爾曼–莫甘記號及倘有的簡寫。

T, (332)
[3,3]+Template:CDD
23
階為12
手性Template:Le 有四條C3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C2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。T同構交錯群A4,即四個元素的偶排列的群。本群為正四面體的旋轉群,也是Td, Th及以下兩種八面體對稱群的正規子群。本群的12個元素,與Template:Le24可逆元,有一對二的關係,而後者又稱為Template:Le
Td, (*332)
[3,3]Template:CDD
43m
階為24
全四面體對稱 本群與T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C2軸,兩條C3軸。原C2軸,加入鏡射後,變成S4軸。本群是正四面體的對稱群。Td同構於4個元素的對稱群S4,因為Td的元素,會將4C3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C3v對稱,則在Td作用下,軌道有四件同樣的物體,Td就對應此四件物體的排列的集合。TdOh的正規子群。
Th, (3*2)
[3+,4]Template:CDD
2/m3, m3
階為24
五角十二面體對稱
排球的縫線有Th。(立方五角十二面體
本群與T的旋轉軸相同,另有與立方體的面平行的鏡面。四條C3軸變成S6軸,並有關於中心的反演對稱。Th同構於A4×Z2(因為TCi皆是正規子群),而與對稱群S4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Th。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Oh的正規子群。雖然記作Th,本群並非任何四面體(Template:Lang-en)的對稱群。
O, (432)
[4,3]+Template:CDD
432
階為24
手性Template:Le 本群與T類似,但各C2軸現改成C4軸,並有額外六條C2軸,是過正方體中心與(六對)稜中點的直線。本群與S4同構,因為其元素與四條三重軸的24個排列一一對應,與T類似。若物體繞某條三重軸有D3對稱,則在O作用下,軌道有四件同樣的物體,而O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O對應24Template:Le可逆元及範數平方為224Template:Le,各除以2。與T類似,此為一對二的關係。
Oh, (*432)
[4,3]Template:CDD
4/m32/m, m3m
階為48
全八面體對稱 本群與O有同樣的旋轉軸,但也有鏡射,有齊TdTh的所有鏡面。本群同構於S4×Z2(因為OCi皆為正規子群),且是立方體正八面體的對稱群。見Template:Le
I,(532)
[5,3]+Template:CDD
532
階為60
手性Template:Le 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IhTemplate:Le2正規子群。本群的子群中,有十個D3與六個D5(即稜柱或反稜柱的旋轉群)。本群也包含五個T子群(見五複合正四面體)。抽象而言,I同構5交錯群A5,因為其元素作用在五個T子群上,與其偶排列一一對應。等價地,可以考慮I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I對應120Template:Le可逆元。與先前一樣,此為一對二的關係。
Ih, (*532)
[5,3]Template:CDD
532/m, 53m
階為120
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。Ih與抽象群A5×Z2同構,因為ICi皆是正規子群。本群的子群中,有十個D3d、六個D5d(反稜柱的對稱)、五個Th

相關的連續群有:

  • 旋轉群SO(3),即所有旋轉的群,亦記作K
  • 正交群O(3),所有旋轉和鏡射生成的群,亦記作mKh

無窮等距變換群一節所言,任何物理實體,若有K對稱性,則必有Kh對稱性。

軌形記號與階

若已知群的軌形記號,則可計算其階數,等於2除以軌形歐拉示性數。軌形的歐拉示性數是將2減去軌形記號中,各符號特徵數的總和:

  • *或在*之前的n,值為(n1)/n
  • *之後的n,值為(n1)/(2n)
  • *×計為1

此公式同樣適用於Template:LeTemplate:Le:對該等群,特徵數之和為2,所以階數是無窮大。亦見Template:Le條目。

反射考克斯特群

三維考克斯特群的基本域
A3, [3,3], Template:CDD B3, [4,3], Template:CDD H3, [5,3], Template:CDD

6塊鏡

3+6塊鏡

15塊鏡
2A1, [1,2], Template:CDD 3A1, [2,2], Template:CDD A1A2, [2,3], Template:CDD

2塊鏡

3塊鏡

4塊鏡
A1, [1], Template:CDD 2A1, [2], Template:CDD A2, [3], Template:CDD

1塊鏡

2塊鏡

3塊鏡

三維反射點群又稱為考克斯特群,能以Template:Le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Template:Le半球面。在Template:Le,該些群是Template:Le[3,3]Template:Le[4,3]Template:Le[5,3]Template:Le[p,2]。不可約群的鏡面數是nh/2,其中h是群的Template:Le,而n是反射方向的秩(維數),等於符號的下標。[5]

Template:Le 考克斯特-
鄧肯圖標籤
Template:Le 群階 Template:Le
h
鏡數
m
多面體群
Td A3 Template:CDD [3,3] 24 4 6
Oh B3 Template:CDD [4,3] 48 6 3+6
Ih H3 Template:CDD [5,3] 120 10 15
Template:Le
D1h 2A1 Template:CDD [1,2] 4 1+1
D2h 3A1 Template:CDD [2,2] 8 2+1
Dph I2(p)A1 Template:CDD [p,2] 4p p+1
Template:Le
C2v 2A1 Template:CDD [2] 4 2
Cpv I2(p) Template:CDD [p] 2p p p
單鏡面
C1v A1 Template:CDD [ ] 2 1

旋轉群

有限旋轉群,即SO(3)的有限子群,僅有:循環群Cn(正稜錐的旋轉群)、二面體群Dn(正稜柱雙錐體的旋轉群)、T正四面體的旋轉群)、O正八面體正六面體的旋轉群)、I正二十面體正十二面體的旋轉群)。

特別地,二面體群D3D4等,是平面正多邊形嵌入到三維空間後的旋轉群。此種薄片也可以視為退化的正稜柱,或稱為二面體,二面體群因而得名。

  • 若物體的對稱類為Cn, Cnh, Cnv, S2n,則旋轉群為Cn
  • 若物體的對稱類為Dn, Dnh, Dnd,則旋轉群為Dn
  • 若物體的對稱類屬其他七種多面體對稱,則旋轉群是相應無下標的群,即T, O, I之一。

當且僅當物體有Template:Le時,其旋轉群等於整個對稱群。換言之,手性物體就是對稱群在旋轉群列表中的物體。

Template:LeTemplate:Le,及括號內的Template:Le表示,旋轉群是:

Template:Le 反射/旋轉 瑕旋轉 旋轉
Cnv, [n], (*nn) Cnh, [n+,2], (n*) S2n, [2n+,2+], (n×) Cn, [n]+, (nn)
Dnh, [2,n], (*n22) Dnd, [2+,2n], (2*n) Dn, [2,n]+,(n22)
Td, [3,3], (*332) T, [3,3]+, (332)
Oh, [4,3], (*432) Th, [3+,4], (3*2) O, [4,3]+, (432)
Ih, [5,3], (*532) I, [5,3]+, (532)

旋轉群與其他群的對應

下列群有點反演

  • n為偶數時,CnhDnh
  • n為奇數時,S2nDnd(特別地,S2=Ci是僅由點反演生成的群,另有D1d=C2h屬於前項)、
  • Th, Oh, Ih

上文所述,此種群與所有旋轉群之間,有一一對應:

  • Cnhn為偶)及S2nn為奇)對應Cn
  • Dnhn為偶)及Dndn為奇)對應Dn
  • Th, Oh, Ih分別對應T,O,I

下列群具有間接(不保定向)的等距變換,但無點反演:

  • Cnv
  • n為奇數時,CnhDnh
  • n為偶數時,S2nDnd
  • Td

上述各群分別對應一個旋轉群H及其指標2的子群L,使得該群是由H的元素,加上HL經點反演後的元素得到,如上文所述:

  • CnDn的指標2子群,對應Cnv
  • CnC2n的指標2子群,n為奇時對應Cnhn為偶時則對應S2n
  • DnD2n的指標2子群,n為奇時對應Dnhn為偶時對應Dnd
  • TO的指標2子群,對應Td

極大對稱群

離散點群中,OhIh並非任何其他離散點群的真子群,故謂極大。其公共子群中,最大的是Th。由此,可以將二重旋轉對稱改成四重而得Oh,亦可加入五重旋轉對稱而得Ih

類似地,有兩個晶體學點群並非任何其他晶體學點體的真子群:OhD6h。視乎方向,其極大公共子群為D3dD2h

按抽象群同構分類

下列若干個表,將前述諸群,按抽象群同構分類。

最小幾個不能表示成三維對稱群的抽象群為:8階的四元群9階的Z3×Z312階的Template:LeDic3,以及十四個16階群的其中十個。

下表中,「2階元素數」一列,數算C2,Ci,Cs三類等距變換子群的總數,是有助分辨抽象群類型的特徵數,而該總數之內,各類等距變換子群的數目,則有助辨別屬同一類抽象群的不同等距變換群。

循環群

n旋轉對稱對稱群Cn。其抽象同構類是循環群Zn,亦可記作Cn。然而,另有兩列對稱群同構於循環群:

  • 對於偶階數2n瑕旋轉S2n(熊夫利記號),生成元為繞某軸180/n的旋轉後關於與軸垂直的鏡面反射。S2也記為Ci,由點反演生成。
  • 對於奇數n,有階數2n的群Cnh。該群有一條n重旋轉軸,另有與該軸垂直的鏡射。換言之,群由兩種變換生成,即繞軸360/n的旋轉,及該鏡射。C1h又可記作Cs,僅由一個鏡射生成。

故可總結出下表:(十個循環晶體學點群以粗體標出,其滿足晶體學限制。)

階數 等距變換群 抽象群 2階元素數 環圖
1 𝑪1 Z1 0
2 𝑪2,𝑪i,𝑪s Z2 1
3 𝑪3 Z3 0
4 𝑪4,𝑺4 Z4 1
5 C5 Z5 0
6 𝑪6,𝑺6,𝑪3h Z6Z3×Z2 1
7 C7 Z7 0
8 C8,S8 Z8 1
9 C9 Z9 0
10 C10,S10,C5h Z10Z5×Z2 1

二面群

二維二面體群Dn有旋轉和反射,但二維反射亦可視為在三維空間中,將不區分正反面的薄片翻轉。

然而在三維,反射與翻轉須作區分。以Dn表示的對稱群,有n條二重軸,與n重的主旋轉軸垂直,但無反射。Dnn棱柱正雙n角錐n角反棱柱n方偏方面體旋轉群。若略作改動,如在每面加上相同的Template:Tsl標記,或稍為改變形狀,則可以使物體具有手性,從而令Dn為其全對稱群。

相應的抽象群類型是二面體群Dihn,亦可照樣記為Dn。但除Dn外,還有三個無窮序列的對稱群,同構於二面體群:

  • Cnv,階為2n,是n稜錐的對稱群;
  • Dnd,階為4n,是n角反稜柱的對稱群;
  • 對應奇數n的群Dnh,其階為4n。當n=1時,等同D2,已於上文討論,故此處可取n3

注意有以下同構:

Dih4n+2Dih2n+1×Z2.

於是可以整理出下表:(有12個晶體學點群用粗體標示,另D1d寫成等價的C2h

階數 等距變換群 抽象群 2階元素數 環圖
4 𝑫2,𝑪2v,𝑪2h Dih2Z2×Z2 3
6 𝑫3,𝑪3v Dih3 3
8 𝑫4,𝑪4v,𝑫2d Dih4 5
10 D5,C5v Dih5 5
12 𝑫6,𝑪6v,𝑫3d,𝑫3h Dih6Dih3×Z2 7
14 D7,C7v Dih7 7
16 D8,C8v,D4d Dih8 9
18 D9,C9v Dih9 9
20 D10,C10v,D5h,D5d Dih10Dih5×Z2 11

其他

C2nh的階數為4n,同構於抽象群Z2n×Z2。在n=1時,C2nh等同Dih2,已於上小節討論,故本小節僅考慮n2的情況。

此系列的群可以整理成下表:(其中兩個晶體學點群以粗體強調)

階數 等距變換群 抽象群 2階元素數 環圖
8 𝑪4h Z4×Z2 3
12 𝑪6h Z6×Z2Z3×Z22Z3×Dih2 3
16 C8h Z8×Z2 3
20 C10h Z10×Z2Z5×Z22Z5×Dih2 3


Dnh的階數為4n,同構於抽象群Dihn×Z2。對於奇數n,已於上小節討論,故此處僅考慮階數為8n的群D2nh,其抽象群類別為Dih2n×Z2。(n1

此系列的群可以整理成下表:(其中三個晶體學點群以粗體強調)

階數 等距變換群 抽象群 2階元素數 環圖
8 𝑫2h Dih2×Z2Z23 7
16 𝑫4h Dih4×Z2 11
24 𝑫6h Dih6×Z2Dih3×Z22 15  
32 D8h Dih8×Z2 19  

餘下七個多面體群是:(其中五個晶體學點群以粗體強調)

階數 等距變換群 抽象群 2階元素數 環圖
12 𝑻 A4 3
24 𝑻d,𝑶 S4 9
24 𝑻h A4×Z2 7
48 𝑶h S4×Z2 19
60 I A5 15
120 Ih A5×Z2 31

基本域

四角化菱形三十面體
Template:Link-en的反射面與單位球面交於若干大圆,將球面分成120球面直角三角形基本域

點群的基本域錐體。若物體有給定的對稱群,則指明物體的某一個基本域變換至哪個基本域,就足以確定該變換。另外,僅從該件物體在一個基本域內的形狀,就足以確定整件物體的形狀。若物體是曲面,則可由其被一個基本域截得的部分確定,該部分亦是(有邊界的)曲面,下稱「基本面」,延伸至基本域的徑向邊界面(即錐體的側面)。但是,若基本面與其他基本面(即基本面在其他基本域的複製),兩者的邊界未能貼合,則需要添加徑向的面或其他曲面,以使各基本面連接成一個整體。若基本面以反射面為界,則必然貼合。

基本面可以取為任意平面被基本域所截的部分,如此得到一個多面體,具有給定的對稱群,如四角化菱形三十面體的每一個面,即為全Template:Link-en的一個基本面。若調整該面的方向,則有時可以使相鄰的若干個基本面共面,而合併成同一個面,得到具同樣對稱群的其他多面體,如正十二面體正二十面體。若基本面的邊界能夠貼合,且基本面的法向量是在基本域內,則所得的多面體為凸多面體。

基本面也可以取為其他形狀,不必在同一平面內,例如可取為若干個不同平面的區域連接而成的曲面。

二元多面體群

考慮三維旋量群Spin(3)到旋轉群SO(3)的二重覆疊投映。由於Spin(3)已是單連通,故為SO(3)僅有的非平凡連通覆疊。

Template:Link-enSpin(3)SO(3)的子群(即旋轉點群)之間有伽罗瓦连接Spin(3)子群投映到SO(3),必為旋轉子群,而反之,旋轉子群的原像亦必為是Spin(3)的子群。注意Spin(3)可以等價描述成特殊酉群SU(2),或是單位四元數群,亦屬李群,拓撲上同胚三維球面S3

有限點群的原像稱為二元多面體群,記作l,n,m,與多面體群(l,m,n)對應,而名稱則是相應點群的名稱加上「二元」前綴,階數為點群階數的兩倍。例如,Template:Link-en(2,3,5)的原像,便是Template:Link-en2,3,5

二元多面體群為:

該些群能按Template:Link-en,而2在二元多面體群作用下的商空間,是Template:Link-en[6]

對於不保定向的點群,情況較複雜,因為有兩個Pin群,所以對應給定的點群,有兩個可能的二元群。

注意前述「覆疊」僅是群的覆疊,而不是多面體空間的覆疊:球面本身單連通,並無非平凡覆疊。所以,並無所謂「二元多面體」覆疊原有的多面體。二元多面體群是旋量群的離散子群,所以若選定旋量群的表示,作用於一個向量空間,則該二元多面體群在該表示下,可能將某個多面體映到自身,例如在Spin(3)SO(3)映射下,二元多面體群作用為旋轉,與底下的(非二元)群是同一個多面體的等距變換,然而,在Template:Link-en或其他表示下,二元多面體群可以作用在不同的多面體上。

二元多面體群不是Template:Link-en的對稱群。球面確實覆疊射影空间(以及Template:Link-en),故可以考慮射影空間的密鋪,視之為另一種「多面體」,即射影多面體,但是,考慮二元多面體群時,並非取多面體所覆疊的空間,而是取覆疊對稱群的群,所以兩件事不相同。

參見

Template:Div col

Template:Div col end

參考文獻

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外部鏈結