Группа бордюра
Группа бордюра — это математическое понятие, используемое для классификации согласно симметриям узоров на двумерных поверхностях, повторяющихся в одном направлении. Такие узоры встречаются часто в архитектуре и декоративном искусстве. Математическое изучение таких узоров показывает, что существует в точности семь типов симметрии.
Группы бордюра являются двумерными группами линейного сдвига, имеющими повторение лишь в одном направлении. Они связаны с более сложными группами орнамента, которые классифицируют узоры, повторяющиеся в двух направлениях, и кристаллографическими группами, которые классифицируют узоры, повторяющиеся в трёх направлениях.
Общее описание
|
Формально, группа бордюра — это класс бесконечных дискретных групп симметрии узоров на ленте (бесконечно широком прямоугольнике), а следовательно, это класс групп движений на плоскости или ленте. Группа симметрии группы бордюра необходимым образом содержит параллельные переносы и могут содержать скользящие симметрии, отражения вдоль оси ленты, отражения поперёк оси ленты и вращения на . Существует семь групп бордюра, они показаны ниже в таблице. Многие авторы перечисляют группы бордюра в другом порядке[1][2].
Фактические группы симметрии внутри группы бордюра характеризуются наименьшим расстоянием параллельного переноса и, для групп бордюра с вертикальной симметрией или поворотом на (группы 2, 5, 6 и 7), местоположением оси симметрии или центра поворота. В случае групп симметрии на плоскости дополнительными параметрами являются направление вектора переноса и, для групп бордюра с горизонтальной осью симметрии, скользящая симметрия, или поворот на (группы 3-7), положение оси отражения или центра вращения. Таким образом, имеется две степени свободы для группы 1, три для групп 2, 3, 4 и четыре для групп 5, 6 и 7.
Для двух из семи групп бордюра (группы 1 и 4) группы симметрии порождаются одним элементом, для четырёх групп (группы 2, 3, 5 и 6) они порождаются двумя генераторами, а для группы 7 группы симметрии требуют три генератора. Группа симметрии в группах бордюров 1, 2, 3 или 5 является подгруппой группы симметрии последней группы бордюра с тем же расстоянием параллельного переноса. Группа симметрии в группах бордюра 4 и 6 является подгруппой группы симметрии последней группы бордюра с половинным расстоянием параллельного переноса. Последняя группа обоев содержит группу симметрии простейшего периодического узора на полосе (или плоскости) — последовательности точек. Любое преобразование плоскости, оставляющее нетронутым этот узор, может быть разложено на параллельный перенос (x,y) → (n+x,y) и, возможно, отражение относительно горизонтальной оси (x,y) → (x,−y) или вертикальной оси (x,y) → (−x,y) в предположении, что оси выбраны посередине двух соседних точек, или вращение на угол , (x,y) → (−x,−y). Таким образом, группа бордюра содержит «наибольшую» группу симметрии, которая состоит из всех этих преобразований.
Требование дискретности вводится для исключения групп, содержащих все преобразования и групп, содержащих произвольно малые параллельные переносы (например, группы горизонтального переноса на любое рациональное расстояние).
Требование бесконечности вводится для исключения групп, не имеющих параллельного переноса:
- группа только с из тождественным движением (изоморфна C1, тривиальная группа порядка 1).
- группа, состоящая из тождественного движения и отражения относительно горизонтальной оси (изоморфна C2, циклическая группа порядка 2).
- группы, состоящие из тождественного движения и отражения относительно вертикальной оси
- группы, состоящие из тождественного движения и поворота на вокруг точки, находящейся на горизонтальной оси
- группы, состоящие из тождественного движения и отражения относительно вертикальной оси, отражения относительно горизонтальной оси и поворота на вокруг точки пересечения этих осей (изоморфна четверной группе Клейна)
Описание семи групп бордюра
Существует семь различных подгрупп (с точностью до масштаба) в группе дискретных бордюров, генерируемых параллельным переносом, отражением (вдоль оси бордюра) и поворотом на . Каждая из этих подгрупп является группой симметрии бордюра и простые бордюры показаны на рис. 1. Семь различных групп соответствуют семи бесконечным сериям групп осевой симметрии трёхмерного пространства, с [3].
Группы бордюра обозначаются с использованием нотации Германа — Могена, международной кристаллографической нотации[4], орбифолдной нотаци, нотации Коксетера и с помощью символов Шёнфлиса:
IUC | Кок- сетер |
Шён- флис* Группа |
Диаграмма§ Орбифолд |
Примеры обозначение Конвея [5] |
Описание |
---|---|---|---|---|---|
p1 | [∞]+ | C∞ Z∞ |
∞∞ | F F F F F F F F hop (скакать на одной ноге) |
(T) Только параллельный перенос: Эту группу создаёт один генератор, перенося на наименьшее расстояние для данного периодического узора. |
p11g | [∞+,2+] | S∞ Z∞ |
∞× | FℲ FℲ FℲ FℲ FℲ step (шаг) |
(TG) Скользящая симметрия и перенос: Эта группа создаётся одним генератором (скользящей симметрией), параллельный перенос получается как результат двух скользящих симметрий. |
p1m1 | [∞] | C∞v Dih∞ |
*∞∞ | Λ Λ Λ Λ Λ Λ Λ Λ sidle (идти боком) |
(TV) Отражение относительно вертикальной оси и перенос: Группа та же самая, что и нетривиальная группа одномерного случая. Группа строится с помощью параллельного переноса и отражения относительно вертикальной оси. |
p2 | [∞,2]+ | D∞ Dih∞ |
22∞ | S S S S S S S S spinning hop (скачки с поворотом) |
(TR) Перенос и поворот на : Группа создаётся двумя генераторами — переносом и вращением на . |
p2mg | [∞,2+] | D∞d Dih∞ |
2*∞ | V Λ V Λ V Λ V Λ spinning sidle (боковые скачки с поворотом) |
(TRVG) Отражение относительно вертикальной оси, скользящая симметрия, перенос и поворот на : Параллельный перенос здесь получается как результат двух скользящих симметрий, так что группа генерируется скользящей симметрией и либо вращением, либо вертикальной симметрией. |
p11m | [∞+,2] | C∞h Z∞×Dih1 |
∞* | B B B B B B B B jump (прыжок) |
(THG) Перенос, отражение относительно горизонтальной оси, скользящая симметрия: Эта группа генерируется переносом и отражением относительно горизонтальной оси. Скользящая симметрия получается как перенос + отражение. |
p2mm | [∞,2] | D∞h Dih∞×Dih1 |
*22∞ | H H H H H H H H spinning jump (прыжок с поворотом) |
(TRHVG) Отражения относительно вертикальной и горизонтальной осей, параллельный перенос и вращение на : Для этой группы нужны три генератора. Один из генерирующих наборов состоит из переноса и отражений относительно обоих осей. |
- *Нотация Шёнфлиса для точечной группы здесь расширена для случая бесконечного набора эквивалентных диэдральных точечных симметрий
- §Диаграмма показывает одну фундаментальную область, выделенную жёлтым цветом. Оси отражения показаны синим цветом, оси скользящей симметрии показаны зелёным пунктиром, а точки вращения показаны зелёными квадратиками.
Как мы видим, с точностью до изоморфизма, существует четыре группы, две абелевы, и две неабелевы.
Типы решёток: наклонная и прямоугольная
Группы можно классифицировать по типу их двумерной решётки[6]. Наклонная решётка означает, что второе направление не обязательно ортогонально направлению повторения.
Тип решётки | Группы |
---|---|
Наклонные | p1, p2 |
Прямоугольные | p1m1, p11m, p11g, p2mm, p2mg |
Веб-демонстрации и программное обеспечение
Существуют программные графические инструменты, создающие двумерные узоры с помощью групп бордюра. Обычно весь узор обновляется автоматически при редактировании фрагмента.
- Kali, Свободное приложение для обоев, бордюров и других узоров.
- Kali, свободно загружаемая программа Kali для Windows и Mac Classic.
- Tess, Программа (nagware) замощения для различных платформ, поддерживающая обои, бордюры, а также мозаик Хееша.
- FriezingWorkz, свободно распространяемый стек (приложение для Hypercard) для HyperCard для платформы Classic Mac, поддерживающий группы бордюра.
Примечания
- Coxeter, 1969, с. 47–49.
- Cederberg, 2001, с. 117–118, 165–171.
- Fisher, Mellor, 2007.
- Radaelli.
- Frieze Patterns Конвей дал имена согласно характеру следов.
- Hitzer, Ichikawa, 2008.
Литература
- Coxeter H. S. M. Introduction to Geometry. — New York: John Wiley & Sons, 1969. — С. 47–49. — ISBN 0-471-50458-0.
- Judith N. Cederberg. A Course in Modern Geometries, 2nd ed.. — New York: Springer-Verlag, 2001. — С. 117–118, 165–171. — ISBN 0-387-98972-2.
- Fisher G.L., Mellor B. Three-dimensional finite point groups and the symmetry of beaded beads // Journal for Mathematics and the Arts. — 2007.
- Paolo G. Radaelli. Fundamentals of Crystallographic Symmetry.
- Hitzer E.S.M., Ichikawa D. Representation of crystallographic subperiodic groups by geometric algebra // Electronic Proc. of AGACSE. — Leipzig, Germany, 2008. — Вып. 3, 17–19 Aug. 2008.