Evklid tekisligining izometriyasi - Euclidean plane isometry

Yilda geometriya, a Evklid tekisligining izometriyasi bu izometriya ning Evklid samolyoti, yoki ko'proq norasmiy ravishda uzunlik kabi geometrik xususiyatlarni saqlaydigan tekislikni o'zgartirish usuli. To'rt turi mavjud: tarjimalar, aylanishlar, aks ettirishlar va sirpanish akslari (ostida pastga qarang evklid tekisligi izometriyalarining tasnifi ).

Evklid tekisligining izometriyalari to'plami a hosil qiladi guruh ostida tarkibi: the Evklid guruhi ikki o'lchovda. U chiziqlardagi aks ettirish orqali hosil bo'ladi va Evklid guruhining har bir elementi ko'pi bilan uchta aks ettirishning tarkibiy qismidir.

Norasmiy munozara

Norasmiy ravishda Evklid tekisligining izometriyasi - bu samolyotni "deformatsiz" o'zgartirishning har qanday usuli. Masalan, Evklid tekisligi ish stolida o'tirgan shaffof plastik varaq bilan ifodalangan deylik. Izometriyalarga quyidagilar kiradi:

  • Choyshabni bir dyuym o'ngga siljitish.
  • Belgilangan nuqta atrofida varaqni o'n darajaga burang (bu harakatsiz qoladi).
  • Orqa tomondan qarash uchun choyshabni burab qo'ying. E'tibor bering, agar varaqning bir tomoniga rasm chizilgan bo'lsa, unda varaqni ag'dargandan so'ng biz ko'rayapmiz oynali tasvir rasm.

Bular misollar tarjimalar, aylanishlar va aks ettirishlar navbati bilan. Izometriyaning yana bir turi mavjud, deyiladi sirpanish aksi (ostida pastga qarang evklid tekisligi izometriyalarining tasnifi ).

Shu bilan birga, qatlamni katlama, kesish yoki eritish izometriya hisoblanmaydi. Bukish, cho'zish yoki burish kabi keskin o'zgarishlar ham mavjud emas.

Rasmiy ta'rif

An izometriya Evklid tekisligining tekislikni masofani saqlovchi o'zgarishi. Ya'ni, bu a xarita

har qanday ball uchun p va q samolyotda,

qayerda d(p, q) odatiy hisoblanadi Evklid masofasi o'rtasida p va q.

Tasnifi

Evklid tekisligining to'rt xil izometriyasi mavjudligini ko'rsatish mumkin. (Eslatma: quyida keltirilgan izometriya turlari bo'yicha yozuvlar to'liq standartlashtirilmagan.)

Ko'zgular

Ko'zgu

Ko'zgular, yoki oyna izometriyalari, bilan belgilanadi Fv,v, qayerda v tekislikdagi nuqta va v a birlik vektori yilda R2. (F "flip" uchun.) fikrni aks ettirish effektiga ega p qatorda L ga perpendikulyar v va u o'tadi v. Chiziq L deyiladi aks o'qi yoki tegishli oyna. Uchun formulani topish uchun Fv,v, biz avval ishlatamiz nuqta mahsuloti komponentini topish uchun t ning pv ichida v yo'nalish,

va keyin biz aksini olamiz p ayirish bilan,

Ortogonal guruhni tashkil etuvchi barcha ortogonal matritsalar bilan (ya'ni 1 va -1-determinant bilan) kelib chiqishi bo'yicha chiziqlar va kelib chiqadigan chiziq haqidagi akslarning kombinatsiyasi olinadi O(2). $ Delta 1 $ determinanti bo'lsa, bizda:

bu aks ettirilgan x- eksa, so'ngra θ burchak bilan burilish yoki unga teng keladigan, in / 2 burchak hosil qiladigan chiziqdagi aks x-aksis. Parallel chiziqdagi akslantirish unga perpendikulyar vektor qo'shishga mos keladi.

Tarjimalar

Tarjima

Tarjimalar, bilan belgilanadi Tv, qayerda v a vektor yilda R2 tomon tekislikka siljitish effektiga ega v. Ya'ni, har qanday nuqta uchun p samolyotda,

yoki (x, y) koordinatalari,

Tarjimani ikkita parallel aks ettirishning tarkibiy qismi sifatida ko'rish mumkin.

Burilishlar

Qaytish

Burilishlar, bilan belgilanadi Rc, θ, qayerda v - bu tekislikdagi nuqta (aylanish markazi) va θ - burilish burchagi. Koordinatalar nuqtai nazaridan aylanishlar ularni ikki amalda bo'lish orqali eng oson ifodalanadi. Birinchidan, kelib chiqishi atrofida aylanish

Ushbu matritsalar ortogonal matritsalar (ya'ni har biri a kvadrat matritsa G kimning ko'chirish bu uning teskari, ya'ni ), determinant 1 bilan (ortogonal matritsalar uchun boshqa imkoniyat -1, bu oynali tasvirni beradi, pastga qarang). Ular maxsus narsani tashkil qiladi ortogonal guruh SO (2).
Atrofda aylanish v birinchi tarjima qilish orqali amalga oshirilishi mumkin v kelib chiqishiga, so'ngra kelib chiqishi atrofida aylanishni amalga oshiring va nihoyat kelib chiqishni yana tarjima qiling v. Anavi,
yoki boshqacha qilib aytganda,
Shu bilan bir qatorda, kelib chiqishi atrofida aylanish, so'ngra tarjimasi amalga oshiriladi:

Aylanishni ikkita parallel bo'lmagan aks ettirishning tarkibiy qismi sifatida ko'rish mumkin.

Qattiq o'zgarishlar

Tarjima va rotatsiyalar to'plami birgalikda qattiq harakatlar yoki qattiq siljishlar. Ushbu to'plam a guruh tarkibi ostida qattiq harakatlar guruhi, Evklid izometriyalarining to'liq guruhining kichik guruhi.

Ko'zgularni siljitish

Glide aks ettirish

Ko'zgularni siljitish, bilan belgilanadi Gv,v,w, qayerda v tekislikdagi nuqta, v bu birlik vektoridir R2va w ga perpendikulyar bo'lgan nol bo'lmagan vektor v tomonidan tasvirlangan satrda aks ettirishning kombinatsiyasi v va v, so'ngra tarjima bilan birga w. Anavi,

yoki boshqacha qilib aytganda,
(Bu ham haqiqat
ya'ni tarjima va aksni teskari tartibda amalga oshirsak, xuddi shunday natijaga erishamiz.)
Shu bilan bir qatorda biz aniqlovchi −1 bo'lgan ortogonal matritsa bilan ko'paytiramiz (kelib chiqishi bo'yicha chiziqdagi aksga mos keladi), so'ngra tarjima. Bu sirpanish aksidir, faqat tarjima aks ettirish chizig'iga perpendikulyar bo'lgan holatlar bundan mustasno, bu holda kombinatsiya o'zi faqat parallel chiziqdagi aks ettirishdir.

The shaxsiyat izometriya Men(p) = p barcha ballar uchun p tarjimaning maxsus holati, shuningdek aylanishning alohida holati. Bu yuqorida tavsiflangan turlardan biriga tegishli bo'lgan yagona izometriya.

Barcha holatlarda pozitsiya vektorini ortogonal matritsa bilan ko'paytiramiz va vektor qo'shamiz; agar determinant 1 bo'lsa, bizda aylanish, tarjima yoki identifikatsiya mavjud, va agar u −1 bo'lsa, bizda sirpanish yoki aks ettirish mavjud.

"Tasodifiy" izometriya, xuddi stoldan bir varaqni olib, tasodifan orqaga qaytarish kabi "deyarli aniq "bu aylanish yoki sirpanishning aksi (ular uchta erkinlik darajasi ). Bu tafsilotlaridan qat'i nazar amal qiladi ehtimollik taqsimoti, θ va qo'shilgan vektorning yo'nalishi ekan mustaqil va bir xil taqsimlangan va qo'shilgan vektorning uzunligi uzluksiz taqsimotga ega. Sof tarjima va sof mulohaza - bu atigi ikki daraja erkinlikka ega bo'lgan maxsus holatlar, o'ziga xoslik esa erkinlik darajalariga ega bo'lmagan holda yanada o'ziga xosdir.

Izometrlar aks ettirish guruhi sifatida

Ko'zgularni yoki ko'zgu izometriyalarini birlashtirib, har qanday izometriyani hosil qilish mumkin. Shunday qilib izometriyalar a ga misoldir aks ettirish guruhi.

Oynali kombinatsiyalar

Evklid tekisligida biz quyidagi imkoniyatlarga egamiz.

Ko'zgular sifatida izometriyalar
  • [d ] Shaxsiyat
Xuddi shu oynadagi ikkita aks har bir nuqtani asl holatiga qaytaradi. Barcha fikrlar belgilangan holda qoldiriladi. Xuddi shu nometallning har qanday juftligi bir xil ta'sirga ega.
  • [db] Ko'zgu
Elis topganidek ko'zoynagi orqali, bitta ko'zgu chap va o'ng qo'llarni almashtirishga olib keladi. (Rasmiy so'zlar bilan aytganda, topologik yo'nalish teskari yo'naltirilgan.) Ko'zgu ustidagi nuqtalar sobit qoldirilgan. Har bir oynaning o'ziga xos ta'siri bor.
  • [dp] Aylanish
Kesishgan ikkita nometallning yagona umumiy nuqtasi bor, u sobit bo'lib qoladi. Boshqa barcha nuktalar uning atrofida nometall orasidagi burchakdan ikki baravar ko'proq aylanadi. Bir xil sobit nuqta va bir xil burchakka ega bo'lgan har qanday ikkita nometall, agar ular to'g'ri tartibda ishlatilsa, bir xil aylanishni beradi.
  • [dd] Tarjima
Kesishmaydigan ikkita aniq nometall parallel bo'lishi kerak. Har bir nuqta bir xil miqdordagi, oynalar orasidagi masofadan ikki baravar va bir xil yo'nalishda harakat qiladi. Hech qanday nuqta belgilanmagan. Parallel yo'nalishi va masofasi bir xil bo'lgan har qanday ikkita nometall, agar ular to'g'ri tartibda ishlatilsa, xuddi shu tarjimani beradi.
  • [dq] Glide aks ettirish
Uch nometall. Agar ularning barchasi parallel bo'lsa, effekt bitta oynaga o'xshaydi (uchinchisini bekor qilish uchun juftni siljiting). Aks holda ikkitasi parallel, uchinchisi ularga perpendikulyar bo'lgan ekvivalent tartibni topishimiz mumkin. Effekt - bu oynaga parallel tarjima bilan birlashtirilgan aks. Hech qanday nuqta belgilanmagan.

Uchta ko'zgu etarli

Ko'proq oynalarni qo'shish ko'proq imkoniyatlarni qo'shmaydi (tekislikda), chunki ularni bekor qilish uchun har doim ham o'zgartirish mumkin.

Isbot. Izometriya uchta mustaqil (kollinear bo'lmagan) nuqtalarga ta'siri bilan to'liq aniqlanadi. Shunday qilib, taxmin qiling p1, p2, p3 xaritaga q1, q2, q3; Bunga quyidagicha erishish uchun biz ko'zgular ketma-ketligini yaratishimiz mumkin. Agar p1 va q1 alohida, ularning perpendikulyar bissektrisasini oyna sifatida tanlang. Endi p1 xaritalar q1; va biz barcha boshqa ko'zgular orqali o'tamiz q1, uni aniq qoldirib. Ning rasmlarini chaqiring p2 va p3 bu aks ettirish ostida p2′ Va p3′. Agar q2 dan ajralib turadi p2′, Burchakni ikkiga bo'ling q1 yangi oyna bilan. Bilan p1 va p2 hozir joyida, p3 da p3′ ′; va agar u joyida bo'lmasa, oxirgi oyna q1 va q2 uni aylantiradi q3. Shunday qilib, har qanday tekislik izometriyasini ko'paytirish uchun eng ko'p uchta aks ettirish kifoya. ∎

E'tirof etish

Biz ushbu izometriyalarning qaysi birini qo'llarni saqlaydimi yoki ularni almashtiradimi, yoki kamida bitta sobit nuqtaga ega yoki yo'qligiga qarab bilib olamiz, quyidagi jadvalda ko'rsatilgandek (identifikatsiyani qoldirib).

Qo'llarni saqlaysizmi?
HaYo'q
Ruxsat etilgan nuqta?HaQaytishKo'zgu
Yo'q TarjimaGlide aks ettirish

Guruh tarkibi

Ko'zgularning g'alati sonini talab qiluvchi izometrlar - aks ettirish va sirpanish aks etishi - har doim chapga va o'ngga teskari o'gir. Hatto izometriyalar - identifikatsiya, aylanish va tarjima - hech qachon bo'lmaydi; ular mos keladi qattiq harakatlarva shakllantiradi oddiy kichik guruh to'liq Evklid guruhi izometriya. To'liq guruh ham, hatto kichik guruh ham emas abeliya; masalan, ikkita parallel nometallning tuzilish tartibini o'zgartirish, ular yaratgan tarjimaning yo'nalishini o'zgartiradi.

Isbot. Shaxsiyat izometriya; hech narsa o'zgarmaydi, shuning uchun masofa o'zgarishi mumkin emas. Agar bitta izometriya masofani o'zgartira olmasa, ketma-ket ikkitasi (yoki uchtasi yoki undan ko'pi) o'zgarmas; Shunday qilib, ikki izometriyaning tarkibi yana izometriya bo'lib, izometriyalar to'plami kompozitsiya ostida yopiladi. Identifikatsiya izometriyasi, shuningdek, kompozitsiya uchun o'ziga xoslikdir va kompozitsiya ham shundaydir assotsiativ; shuning uchun izometriyalar a uchun aksiomalarni qondiradi yarim guruh. Uchun guruh, shuningdek, har bir element uchun teskari bo'lishi kerak. Ko'zgularni bekor qilish uchun biz uni o'zi bilan tuzamiz. (Ko'zgular jalb qilish.) Va har bir izometriya aks ettirishlar ketma-ketligi sifatida ifodalanishi mumkin bo'lganligi sababli, uning teskari tomoni bu ketma-ketlikni teskari yo'naltirilgan holda ifodalashi mumkin. E'tibor bering, bir xil aks ettirish juftligini bekor qilish, ketma-ketlikning tengligini saqlab, aks ettirish sonini juft songa kamaytiradi; shuningdek, shaxsiyatning tengligi borligiga e'tibor bering. Shuning uchun barcha izometriyalar guruhni, hatto izometriyalarni ham kichik guruhni tashkil qiladi. (Toq izometriyalar identifikatsiyani o'z ichiga olmaydi, shuning uchun kichik guruh ham emas.) Bu kichik guruh odatdagi kichik guruhdir, chunki ikkita g'alati orasidagi teng izometriyani sendvich qilish juft izometriyani beradi. ∎

Juft kichik guruh normal bo'lgani uchun, bu yadro a homomorfizm a kvant guruhi, bu erda aks ettirish va o'ziga xoslikdan iborat bo'lgan guruh uchun izomorfik qism. Ammo to'liq guruh a emas to'g'ridan-to'g'ri mahsulot, lekin faqat a yarim yo'nalishli mahsulot, hatto kichik guruh va kvantlar guruhi.

Tarkibi

Izometrlarning tarkibi turlarni turlicha aralashtiradi. Shaxsiyatni ikkala ko'zgu yoki yo'q oyna deb o'ylashimiz mumkin; har qanday holatda ham, uning tarkibida ta'siri yo'q. Va ikkita aks ettirish tarjimani yoki rotatsiyani yoki o'ziga xoslikni beradi (ikkalasi ham ahamiyatsiz tarzda). Ularning har ikkisidan iborat aks ettirish bitta aks ettirishga qadar bekor qilinishi mumkin; aks holda bu uchta oynali izometriyani, ya'ni sirpanish aksini beradi. Bir juft tarjima har doim bitta tarjimaga qisqartiradi; shuning uchun qiyin holatlar rotatsiyani o'z ichiga oladi. Bilamizki, aylanish yoki tarjima bilan tuzilgan aylanish bir tekis izometriyani hosil qilishi kerak. Tarjima bilan kompozitsiya yana bir aylanishni keltirib chiqaradi (xuddi shu miqdordagi o'zgaruvchan sobit nuqta bilan), lekin aylanadigan kompozitsiya tarjima yoki aylanishni keltirib chiqarishi mumkin. Ikki aylananing tarkibi aylanish hosil qiladi, deb tez-tez aytishadi va Eyler bu haqda teoremani 3D formatida isbotladi; ammo, bu faqat belgilangan nuqtani baham ko'rgan aylanishlar uchun amal qiladi.

Tarjima, aylanish va ortogonal kichik guruhlar

Shunday qilib, bizda izometriya bo'yicha ikkita yangi turdagi guruhlar mavjud: barcha tarjimalar va belgilangan nuqtani almashinadigan aylanishlar. Ikkalasi ham tarjimalar normal bo'lgan, hatto kichik guruhning kichik guruhlari. Tarjimalar odatdagi kichik guruh bo'lgani uchun, biz ularni izometriya kichik guruhini belgilangan nuqtasi bilan tark etishimiz mumkin. ortogonal guruh.

Ko'zgular bilan tarjima qo'shilishi
Isbot. Agar ikkita aylanma aniq bir nuqtaga ega bo'lsa, unda biz to'rtta (ikkita va ikkitasi) ketma-ketlikning ichki oynalarini bekor qilish uchun ikkinchi aylananing oyna juftligini aylantirib, faqat tashqi juftlikni qoldiramiz. Shunday qilib umumiy sobit nuqtaga ega bo'lgan ikkita aylanishning tarkibi bir xil sobit nuqtaga nisbatan burchaklar yig'indisi bo'yicha aylanish hosil qiladi.
Agar ikkita tarjima parallel bo'lsa, biz aylantirish holatidagi kabi to'rtta ketma-ketlikning ichki oynasini bekor qilish uchun ikkinchi tarjimaning oyna juftligini siljitishimiz mumkin. Shunday qilib, ikkita parallel tarjimaning tarkibi bir xil yo'nalishdagi masofalar yig'indisi bo'yicha tarjima hosil qiladi. Endi tarjimalar parallel emas va oyna ketma-ketligi A deb taxmin qiling1, A2 (birinchi tarjima) keyin B1, B2 (ikkinchisi). Keyin A2 va B1 kesib o'tish kerak, ayt v; va o'zaro aloqani uzaytirgan holda, biz ushbu ichki juftlikni burish uchun erkinmiz v. Agar biz 90 ° burilsak, qiziq narsa yuz beradi: endi A1 va A2′ 90 ° burchak ostida kesishadi, aytaylik pva B ham shunday qiladi1′ Va B2, deb ayting q. Qayta ajralib, biz birinchi juftlikni atrofida aylantiramiz p B qilish2" kesib o'tmoq qva ikkinchi juftlikni atrofida aylantiring q qilish A1" kesib o'tmoq p. Ichki nometall endi bir-biriga to'g'ri keladi va bekor qilinadi, tashqi nometall esa parallel ravishda qoldiriladi. Shunday qilib, ikkita parallel bo'lmagan tarjimalarning tarkibi ham tarjimani keltirib chiqaradi. Uchta burilish nuqtasi uchburchakni hosil qiladi, uning qirralari quyruqdan quyruqgacha qoidani beradi vektor qo'shilishi: 2(p v) + 2(v q) = 2(p q). ∎

Ichki guruhni qurish

Kichik guruh tuzilishi o'zboshimchalik bilan izometriya tuzishning yana bir usulini taklif qiladi:

Ruxsat etilgan nuqtani va u orqali oynani tanlang.
  1. Agar izometriya g'alati bo'lsa, oynadan foydalaning; aks holda qilmang.
  2. Agar kerak bo'lsa, belgilangan nuqta atrofida aylantiring.
  3. Agar kerak bo'lsa, tarjima qiling.

Buning sababi shundaki, tarjimalar izogriyalarning to'liq guruhining normal kichik guruhi bo'lib, ular ortogonal guruhga ega; va sobit nuqta atrofida aylanishlar ortogonal guruhning normal kichik guruhi bo'lib, bitta aks ettirishga imkon beradi.

Alohida kichik guruhlar

Doimiy beshburchak simmetriyalarining dihedral guruhi

Hozirgacha muhokama qilingan kichik guruhlar nafaqat cheksiz, balki doimiy (Yolg'on guruhlar ). Eng kamida bitta nol bo'lmagan tarjimani o'z ichiga olgan har qanday kichik guruh cheksiz bo'lishi kerak, ammo ortogonal guruhning kichik guruhlari cheklangan bo'lishi mumkin. Masalan, simmetriya doimiy beshburchak 72 ° (360 ° / 5) ko'plikdagi aylantirishlardan va qirralarni perpendikulyar ravishda ikkiga bo'luvchi beshta nometalldagi akslardan iborat. Bu guruh, D5, 10 ta element bilan. Uning C kichik guruhi mavjud5, o'lchamlarning yarmini, aks ettirishni qoldirib. Ushbu ikki guruh ikki oilaning a'zolari, Dn va Cn, har qanday kishi uchun n > 1. Ushbu oilalar birgalikda rozet guruhlari.

Tarjimalar o'z-o'zidan orqaga qaytmaydi, lekin biz har qanday cheklangan tarjimaning butun sonini yoki ikkita mustaqil tarjimaning ko'paytmalarining yig'indisini kichik guruh sifatida qabul qilishimiz mumkin. Bular panjara davriy plitka samolyot.

Bundan tashqari, biz ushbu ikki turdagi diskret guruhlarni - sobit nuqta atrofidagi alohida aylanishlarni va aks ettirishlarni va alohida tarjimalarni birlashtirishimiz mumkin. friz guruhlari va devor qog'ozi guruhlari. Qizig'i shundaki, faqat bir nechta aniqlangan guruhlar mavjud mos diskret tarjimalar bilan. Darhaqiqat, panjara muvofiqligi shu qadar qattiq cheklovni keltirib chiqaradi izomorfizm, bizda faqat 7 ta alohida friz guruhlari va 17 ta alohida devor qog'ozi guruhlari mavjud. Masalan, beshburchak simmetriyalari, D.5, tarjimalarning diskret panjarasi bilan mos kelmaydi. (Har bir yuqori o'lchovda ham faqat shunday sonlar mavjud kristalografik guruhlar, ammo bu raqam tez o'sib boradi; Masalan, 3D-da 230 ta guruh, 4D-da esa 4783 ta.)

Kompleks tekislikdagi izometriyalar

Xususida murakkab sonlar, tekislikning izometriyalari ikkala shaklda

yoki shakl

ba'zi murakkab sonlar uchun a va ω bilan | ω | = 1. Buni isbotlash oson: agar a = f(0) va ω =f(1) − f(0) va agar kimdir aniqlasa

keyin g izometriya, g(0) = 0 va g(1) = 1. Buni ko'rish oson g yoki shaxsiyat yoki konjugatsiya bo'lib, isbotlangan bayonot bundan va bundan kelib chiqadi f(z) = a + ωg(z).

Bu aniq samolyot izometriyalarining avvalgi tasnifi bilan bog'liq, chunki:

  • turdagi funktsiyalar z → a + z tarjimalar;
  • turdagi funktsiyalar z → ωz aylanishlar (qachon | ω | = 1 bo'lganda);
  • konjugatsiya - aks ettirish.

E'tibor bering, murakkab nuqta atrofida aylanish p bilan murakkab arifmetik usulda olinadi

bu erda oxirgi ifoda 0 ga aylanadigan ekvivalent xaritani va tarjimani ko'rsatadi, shuning uchun to'g'ridan-to'g'ri izometriya berilgan hal qilish mumkin olish sharti bilan ekvivalent aylanish markazi sifatida , ya'ni to'g'ridan-to'g'ri izometriya sof tarjima bo'lmasa. Cederberg ta'kidlaganidek: "To'g'ridan-to'g'ri izometriya bu aylanish yoki tarjima".[1]

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Cederberg, Judith N. (2001). Zamonaviy geometriyalar kursi. pp.136 –164. ISBN  978-0-387-98972-3., 151-betdan iqtibos

Tashqi havolalar