使用方法

作为群的正多边形对称

在旋转面板中按 r 或 s,图形就会动。r 转过一个顶点,r' 反向转,s 把图形翻过来。在序列面板中选一个序列,它会从编号排好的状态开始反复执行,并数出回到原状为止的轮数。在显示面板中可以把边数从三角形改到十二边形。

把正多边形重合到自身的动作全体构成数学上的群,叫作二面体群。做一个动作再做一个,结果仍是这样的动作;有一个什么也不做的手;每个手都有把它还原的手;三个手连着做时,先读哪一对都一样。这就是群的定义的全部,而在这里,它的每一行都是可以按下去的东西。

两个手就够了。转过一个顶点是 r,绕着过顶点 0 的轴翻过来是 s,这两个就是生成元。反向转不是第三个手:r' 就是把 r 转 n 减一次。n 边形有 n 个旋转和 n 个翻转,所以群有 2n 个元素,而面板会照着当前的图形把这个数直接数出来。

选一个序列反复执行,编号一定会回到出发时的位置。回到原状为止的轮数就是这个元素的阶。只是旋转的话要转边数那么多轮,所以六边形 6 轮回来,七边形 7 轮回来,而任何一个翻转都是 2 轮。这不是多边形的奇特之处:只要元素有限,反复做同一个手总会回到出发点。

先旋转再翻转,与先翻转再旋转,是不同的手。两者都把图形重合到自身,都在两轮后回到原状,可是它们把顶点 1 送到了不同的位置。追着编号看就能看见。这正是群不可交换的意思,也是手的顺序必须写下来、不能随意调换的理由。夹一个翻转,旋转就会反向:s r s 是 r' 而不是 r。

换位子是这样排出来的:一个手,另一个手,第一个手的逆,第二个手的逆。如果两个手互不干扰,这四个就会互相抵消,什么也不会发生。这里写作 r s r' s,因为翻转再翻一次就回来了,逆手不需要另外的记号。剩下的是一个旋转,也就是转两次 r,这正是两个手交换起来的差距。在三角形上,这个旋转是三分之一周,转三轮编号就回家了。

只把旋转取出来,就得到群里面的群。这叫子群,而且是循环群:把一个手重复 n 次而已。另一半是翻转,每一个都是自己的逆。同样的这两半,也以同样的形式出现在密铺图案与晶体的对称里,而魔方的群,不过是把同一个想法放到更大的群上去走一遍。

作为群的魔方
旋转与翻转