Oktaedrinen symmetria on sellaisen kolmiulotteisen kappaleen symmetria, joka säännöllisen oktaedrin tavoin voidaan kuvata itselleen isometrisesti 48 tavalla, joista 24 on orientaation säilyttäviä. Oktaedrin ohella myös kuutiolla on oktaedrinen symmetria, sillä se on oktaedrin duaalikappale.
Oktaedrisesti symmetrisen kappaleen orientaation säilyttävien symmetriaoperaatioiden ryhmä on S4, sama kuin neljän alkion permutaatioryhmä, sillä oktaedrin vastakkaiset sivut muodostavat neljä paria ja jokaista tällaista symmetriaoperaatiota vastaa yksi näiden parien permutaatio.
Diskreeteistä pistesymmetrioista sekä myös pallopinnan symmetrioista kiraalinen ja täysi (eli akiraalinen) oktaedrinen symmetria Kiraalisella ja täydellä (eli akiraalisella) oktaedrisella symmetrialla on suurin symmetriaryhmä kaikista sellaista diskreetin pistejoukon symmetrioista ja samalla myös pallopinnan symmetrioista jotka ovat yhteensopivia siirtosymmetrian kanssa. Ne kuuluvat kuutiollisen kidejärjestelmän kristallografisiin pisteryhmiin.
O:n alkiot | O:n alkioiden inversiot | ||
---|---|---|---|
identtinen kuvaus | 0 | inversio | 0' |
3 × 180°:n rotaatio nelinkertaisen akselin ympäri | 7, 16, 23 | 3 × peilaus nelinkertaista akselia vastaan kohtisuorassa olevan tason suhteen | 7', 16', 23' |
8 × 120°:n rotaatio kolminkertaisen akselin ympäri | 3, 4, 8, 11, 12, 15, 19, 20 | 8 × 60°:n rotaation ja peilauksen yhdistetty kuvaus | 3', 4', 8', 11', 12', 15', 19', 20' |
6 × 180°:n rotaatio kaksinkertaisen akselin ympäri | 1', 2', 5', 6', 14', 21' | 6 × peilaus kaksinkertaista akselia astaan kohtisuorassa olevan tason suhteen | 1, 2, 5, 6, 14, 21 |
6 × 90°:n rotaatio nelinkertaisen akselin ympäri | 9', 10', 13', 17', 18', 22' | 6 × 90°:n rotaation ja peilauksen yhdistetty kuvaus | 9, 10, 13, 17, 18, 22 |
Esimerkkejä | ||||
---|---|---|---|---|
Täysi oktaedrinen ryhmä on kolmiulotteinen hyperoktaedraalinen ryhmä. Sellaisena se on samalla yhteenpunottu tulo (wreath product) ,
, ja sen alkiot voidaan luonnollisella tavalla määritellä pareina , missä ja .
Lisäksi se on samalla suora summa , ja sen tetraedrisen aliryhmän Td alkiot voidaan yksinkertaisesti samastaa lukujen kanssa ja niiden inversiot esittää luvuilla .
Niinpä esimerkiksi identtinen kuvaus voidaan esittää muodossa ja inversio muodossa .
Alkiota esittää luku ja alkiota merkintä .
Rotaation ja peilauksen yhdistettyä kuvausta sanotaan rotorefleksioksi.
rotorefleksion havainnollistus | ||||
---|---|---|---|---|
| ||||
|
Pyörimisakselit | ||
---|---|---|
C4 |
C3 |
C2 |
3 | 4 | 6 |
O, 432 eli [4,3]+, kertaluokkaa 24, on kiraalinen oktaedrinen symmetria eli rotationaalinen oktaedrinen symmetria. Tämä ryhmä on muutoinen tetraedrisen symmetrian T kaltainen, mutta C2-akselit ovat nyt C4-akseleita ja lisäksi on kuusi C2-akselia, jotka kulkevat kuution särmien keskipisteiden kautta. Td ja O ovat isomorfisia abstrakteja ryhmiä: molemmat vastaavat ryhmää S4, neljän kohteen symmetriaryhmää. Td on T:n ja sen joukon unioni, joka saadaan yhdistämällä jokainen O \ T:n alkio inversiolla. O on kuution ja säännöllisen oktaedrin rotaatioryhmä.
Ortogonaalinen projektio | Stereografinen projektio | ||
---|---|---|---|
2:nkertainen | 4:nkertainen | 3:nkertainen | 2:nkertainen |
Täyden eli akiraalisen oktaedrisen symmetrian symmetriaryhmälle käytetään merkintöjä Oh, *432, [4,3] tai m3m, ja se on kertalukua 48. Sillä on samat rotaatioakselit kuin O:lla, mutta lisäksi symmetriatasot, niiden joukossa sekä Td:n että Th:n kanssa. Tämä ryhmä on isomorfinen S4.C2:n kanssa, ja se on kuution ja oktaedrin symmetriaryhmä. Se on hyperoktaedrinen ryhmä, kun n=3.
Symmetria-akseleista kolme on kohtisuorassa toisiaan vastaan, ja ne voidaan valita koordinaattiakseleiksi.. Tällöin Oh:n erään perusalueen määrittää epäyhtälöryhmä 0 < x < y < z. Kappaleen, jolla on tämä symmetria, määrittää se osa kappaleesta, joka on tässä perusalueessa, esimerkiksi kuution määrittää yhtälö z = 1 ja oktaedrin yhtälö x + y + z = 1 (tai vastaavat epäyhtälöt, jolloin saadaan koko kappale eikä vain sen rajapintaa.) Yhtälö ax + by + cz + 1 määrittää 48-sivuisen monitahokkaan, disdyakis-dodekaedrin.
Tahkot voidaan yhdistää laajemmiksi tahkoiksi yhtälöillä a + b = 0 (kuutio) ja a = b = c (oktaedri).
Täyden oktaedrisen symmetrian 9 symmetria-akselia voidaan jakaa kahteen aliryhmään, joista toisessa niitä on kolme, toisessa kuusi. Ne vastaavat kahta ortogonaalista alisymmetriaa: diedristä symmetriaa D2h ja tetraedrista symmetriaa T4.
Oktaedrinen symmetria ja peilaukseen perustuvat aliryhmät | ||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Oktaedrisen symmetrian rotaatiomatriisit voidaan muodostaa lähtemällä kaikkien 3x3-permutaatiomatriisien joukosta. Tällaisia matriiseja on kolme, ja niistä kussakin luku 1 esiintyy kolme kertaa. Varustetaan nämä ykköset joko etumerkillä + tai -. Tällä tavoin saadaan kaikkiaan 48 matriisia, jotka yhdessä muodostavat täyden oktaedrisen ryhmän. Niistä 24:lla on determinantin arvona +1 ja toisilla 24:llä -1. Näistä edelliset ovat kiraalisen oktaedrisen ryhmän rotaatiomatriiseja, jälkimmäiset 24 taas vastaavat peilauksia ja inversioita.
Oktaedrinen symmetria saadaan myös lähtemällä kolmesta generaattorimatriisista, jotka kuvaavat peilauksia ja vastaavat kolmea peiliä Coxeterin-Dynkinin diagrammissa. Näiden heijastusten tuloina saadaan kolme rotationaalista generaattoria.
Peilaukset | Rotaatio | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Name | R0 | R1 | R2 | R0R1 | R1R2 | R0R2 |
Ryhmä | ||||||
Kertaluku | 2 | 2 | 2 | 4 | 3 | 2 |
Matriisi |
|
|
|
|
|
|
|
|
Schoenflies | Coxeter | Orb. | H-M | Rakenne | Sykl. | Kertaluku | Indeksi | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Oh | [4,3] | *432 | m3 | S4×S2 | 48 | 1 | ||
Td | [3,3] | *332 | 43m | S4 | 24 | 2 | ||
D4h | [2,4] | *224 | 4/mmm | Dih1×Dih4 | 16 | 3 | ||
D2h | [2,2] | *222 | mmm | Dih13=Dih1×Dih2 | 8 | 6 | ||
C4v | [4] | *44 | 4mm | Dih4 | 8 | 6 | ||
C3v | [3] | *33 | 3m | Dih3=S3 | 6 | 8 | ||
C2v | [2] | *22 | mm2 | Dih2 | 4 | 12 | ||
Cs=C1v | [ ] | * | 2 tai m | Dih1 | 2 | 24 | ||
Th | [3+,4] | 3*2 | m3 | A4×S2 | 24 | 2 | ||
C4h | [4+,2] | 4* | 4/m | Z4×Dih1 | 8 | 6 | ||
D3d | [2+,6] | 2*3 | 3m | Dih6=Z2×Dih3 | 12 | 4 | ||
D2d | [2+,4] | 2*2 | 42m | Dih4 | 8 | 6 | ||
C2h = D1d | [2+,2] | 2* | 2/m | Z2×Dih1 | 4 | 12 | ||
S6 | [2+,6+] | 3× | 3 | Z6=Z2×Z3 | 6 | 8 | ||
S4 | [2+,4+] | 2× | 8 | Z4 | 4 | 12 | ||
S2 | [2+,2+] | × | 1 | S2 | 2 | 24 | ||
O | [4,3]+ | 432 | 432 | S4 | 24 | 2 | ||
T | [3,3]+ | 332 | 23 | A4 | 12 | 4 | ||
D4 | [2,4]+ | 224 | 422 | Dih4 | 8 | 6 | ||
D3 | [2,3]+ | 223 | 322 | Dih3=S3 | 6 | 8 | ||
D2 | [2,2]+ | 222 | 222 | Dih2=Z22 | 4 | 12 | ||
C4 | [4]+ | 44 | 4 | Z4 | 4 | 12 | ||
C3 | [3]+ | 33 | 3 | Z3=A3 | 3 | 16 | ||
C2 | [2]+ | 22 | 2 | Z2 | 2 | 24 | ||
C1 | [ ]+ | 11 | 1 | Z1 | 1 | 48 |
Oktaedriset aliryhmät Coxeterin diagrammeilla esitettyinä[1] |
Kuutiolla on 48 isometriaa eli symmetria-alkiota, joiden muodostama symmetriaryhmä Oh on isomorfinen ryhmän S4 × C2 kanssa. Ne voidaan luokitella seuraavasti:
Kaikki edellä mainitut (yhteensä 24 kpl) voidaan konkreettisesti toteuttaa kääntämällä kuutio toiseen asentoon. Lisäksi kuutiolla on vielä toiset 24 inversiota, jotka saadaan yhdistämällä jokin edellisistä inversion eli kuution keskipisteen suhteen suoritettavan peilauksen kanssa (jossa piste x kuvautuu pisteeseen −x; toiset 24 isometriaa). On huomattava, että 180°:n rotaatio akselin ympäri yhdistettynä inversion kanssa johtaa samaan tulokseen kuin peilaus tätä akselia vastaan kohtisuoran tason suhteen. Inversion sekä avaruuslävistäjän ympäri suoritetun 120°:n rotaation yhdistetty kuvaus taas on sama kuin sama kuin avaruuslävistäjän ympäri suoritettu 60°:n rotaatio yhdistettynä kohtisuoran tason suhteen suoritetun peilauksen kanssa. Tällainen rotaatio sinänsä ei kuvaa kuutiota itselleen, vaan peilaustason ja kuution leikkauspintana saadaan säännöllinen kuusikulmio.
Kuution isometriat voidaan yksilöidä useilla eri tavoilla:
Jos kuution tahkot on väritetty eri värein tai jos sen tahkoille on tehty erilaisia merkintöjä, kuten nopassa, kuution symmetriaryhmä on jokin Oh:n aliryhmä.
Esimerkiksi:
Kuution symmetriaryhmällä on suurempiakin aliryhmiä, mutta pelkästään värittämällä kuution tahkot eri väreillä ei voida saada kappaleita, joiden symmetriaryhmiä ne ovat. Sen sijaan piirtämällä tahkoille erilaisia kuvioita voidaan saada kappaleita, joiden symmetriaryhmiä nekin ovat.
Esimerkiksi:
Kuution täysi symmetria, Oh, [4,3], (*432), säilyy, jos ja vain jos kaikilla tahkoilla on sama kuvio siten, että niillä on täysi neliön symmetria, toisin sanoen diedrinen symmetria Dih4, [4], kertalukua 8.
Kuution täysi aitojen rotaatioiden muodostama symmetria, O, [4,3]+, (432), säilyy vain, jos kaikilla tahkoilla on sama kuvio, jolla on nelinkertainen rotaatiosymmetria C4, [4]+.
Luokka | Nimi | Kuva | Tahkoja | Särmiä | Kärkiä | Duaalikappaleen nimi | Kuva |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Arkhimedeen kappale Catalanin kappale |
pullistettu kuutio | 38 | 60 | 24 | viisikulmainen ikositetraedri |
Luokka | Nimi | Kuva | Tahkoja | Särmiä | Kärkiä | Duaalikappaleen nimi | Kuva |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Platonin kappale | Kuutio | 6 | 12 | 8 | Oktaedri | ||
Arkhimedeen kappale (duaali Catalanin kappale) |
Kuboktaedri | 14 | 24 | 12 | Rombidodekaedri | ||
Typistetty kuutio | 14 | 36 | 24 | Triakis-oktaedri | |||
Typistetty oktaedri | 14 | 36 | 24 | Tetrakis-heksaedri | |||
Rombikuboktaedri | 26 | 48 | 24 | Deltoidaalinen ikositetraedri | |||
Typistetty kuboktaedri | 26 | 72 | 48 | Disdyakis-dodekaedri | |||
Säännöllinen komponentti- monitahokas |
Stella octangula | 8 | 12 | 8 | Itseduaalinen | ||
Kuution ja oktaedrin yhdistelmä | 14 | 24 | 14 | Itseduaalinen |