Tetraedrinen symmetria

Tähän artikkeliin tai sen osaan on merkitty lähteitä, mutta niihin ei viitata.
Älä poista mallinetta ennen kuin viitteet on lisätty. Voit auttaa Wikipediaa lisäämällä artikkelille asianmukaisia viitteitä. Lähteettömät tiedot voidaan kyseenalaistaa tai poistaa.
Säännöllinen tetraedri on yksinkertaisin esimerkki kappaleesta, jolla on täysi tetraedrinen symmetria.

Tetraedrinen symmetria on sellaisen kolmiulotteisen kappaleen symmetria, joka säännöllisen tetraedrin tavoin voidaan kuvata itselleen isometrisesti 24 tavalla, joista 12 on orientaation säilyttäviä.

Tetraedrisesti symmetrisen kappaleen symmetriaoperaatioiden ryhmä on S4, sama kuin neljän alkion permutaatioryhmä, sillä jokaista tetraedrin kärkipisteiden permutaatiota vastaa yksi tetraedrin isometrinen eli yhtenevyyskuvaus itselleen. Tetraedrin orientaation säilyttävien symmetriaoperaatioiden ryhmä on sen alternoiva aliryhmä A4.

Ominaisuuksia

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kiraalinen ja täysi (eli akiraalinen symmetria) sekä pyritoedrinen symmetria ovat diskreetin pistejoukon mahdollisia symmetrioita ja samalla myös eräitä pallopinnan symmetrioita. Ne kuuluvat myös kuutiollisen kidejärjestelmän kristallografisiin pisteryhmiin.

Pyörähdysakselit
C3
 C3
 C2
2 2 3


Stereografisessa projektiossa tetrakis-heksaedrin särmät muodostavat tasopinnalle kuusi ympyrää (tai jonkin keskipisteen kautta säteittäisesti kulkevia suoria). Jokainen näistä kuudesta ympyrästä vastaa jotakin tetraedrisesti symmetrisen kappaleen symmetria-akselia. Näiden ympyrät leikkaavat toisensa kertaluvun 2 tai 3 pyörähdyspisteissä.

Ortogonaalinen Stereografiset projektiot
4-kertainen 3-kertainen 2-kertainen
Kiraalinen tetraedrinen symmetria, T, (332), [3,3]+ = [1+,4,3+], =
Pyritoedrinen symmetria, Th, (3*2), [4,3+],
Akiraalinen tetraedrinen symmetria, Td, (*332), [3,3] = [1+4,3], =

Kiraalinen tetraedrinen symmetria

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tetraedrinen rotaatioryhmä T ja sen perusalue; triakis-tetraedristä kerrotaan jäljempänä, jälkimmäinen on yksi täysi sivu.
Tetraedri voidaan pelkkien rotaatioiden avulla asettaa 12 eri asentoon. Näitä havainnollistaa yllä oleva syklinen graafi, jossa siniset nuolet tarkoittavat 180°:n kiertoja särmien ympäri ja punaiset nuolet 120°:n kiertoja kärkien ympäri. Nämä rotaatiot vastaavat tetraedrien kärkien permutaatioita.
Tetrakis-heksaedrissa yksi tahko on perusalue. Muut kappaleet, joilla on sama symmetria, saadaan muuntamalla tahkojen suuntausta, esimerkiksi yhdistämällä joitakin tahkoja sopivalla tavalla yhdeksi tahkoksi tai korvaamalla jokainen alkuperäinen tahko useammalla tahkolla tai kaarevalla pinnalla.

Kiraaliselle eli rotationaaliselle' tetraedriselle symmetrialle käytetään merkintöjä T, 332, [3,3]+, tai 23. Sen kertaluku on 12. Siinä on samat kolme toisiinsa nähden kohtisuoraa kaksinkertaista rotaatioakselia samoin kuin kiraalisessa diedrisessä symmetriassa D2 or 222 sekä lisäksi neljä kolminkertaista akselia, jotka ovat keskittyneet näiden kohtisuorien akseleiden väliin. Kiraalisen tetraedrisen symmetrian symmetriaryhmä on isomorfinen neljän alkion alternoivan ryhmän A4 kanssa. Itse asiassa se on sama kuin neljän kolminkertaisen akselin parillisten permutaatioiden ryhmä: e, (123), (132), (124), (142), (134), (143), (234), (243), (12)(34), (13)(24), (14)(23).

T:n konjugaatioluokat ovat:

  • identtinen kuvaus
  • 4 kpl 120°:n rotaatioita myötäpäivään (kärjestä katsottuna): (234), (143), (412), (321)
  • 4 kpl 120°:n rotaatioita vastapäivään
  • 3 kpl 180°:n rotaatioita.

Nämä 180°:n rotaatiot yhdessä identtisen kuvauksen kanssa muodostavat tyyppiä Dih2 olevan normaalin aliryhmän jota vastaava tekijäryhmä on tyyppiä Z3. Viimeksi mainitun kolme alkiota ovat identtinen kuvaus sekä rotaatiot myötäpäivään ja vastapäivään, jotka vastaavat kolmen kohtisuoran kaksinkertaisen akselin sellaisia permutaatioita, joissa orientaatio säilyy.

A4 on pienin ryhmä, joka osoittaa, että Lagrangen lauseen käänteislause ei aina päde: jos on annettu äärellinen ryhmä G ja |G|:n jakaja d, G:llä ei välttämättä ole sellaista aliryhmää, jonka kertaluku on d: ryhmällä G = A4 ei ole aliryhmää kertaluvulla 6. Vaikka tämä on abstraktin ryhmän yleinen ominaisuus, kiraalisen tetraedrin symmetrian isometriaryhmän tapauksesessa asia on selvä: kiraalisuutensa vuoksi aliryhmän olisi oltava joko C6 tai D3, mutta kumpikaan ei käy.

Kiraalisen tetraedrisen symmetrian aliryhmät

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Kiraalisen tetraedrisen symmetrian aliryhmät
Schoenflies Coxeter Orb. H-M Generaattorit Rakenne Sykl. Kertaluku Indeksi
T [3,3]+ = 332 23 2 A4 12 1
D2 [2,2]+ = 222 222 3 Dih2 4 3
C3 [3]+ 33 3 1 Z3 3 4
C2 [2]+ 22 2 1 Z2 2 6
C1 [ ]+ 11 1 1 Z1 1 12

Akiraalinen tetraedrinen symmetria

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Täysi tetraedrinen ryhmä Td perusalueineen

Akiraaliselle eli täydelle' tetraedriselle symmetrialle käytetään merkintöjä Td, *332, [3,3], tai 24. Sen kertaluku on 24. Siinä on samat kolme toisiinsa nähden kohtisuoraa kaksinkertaista rotaatioakselia samoin kuin kiraalisessa symmetriassa T, sekä lisäksi kuusi symmetriatasoa, joista jokaiseen sisältyy kaksi kolminkertaista symmetria-akselia. Kaksinkertaiset symmetria-akselit ovat nyt S4- eli (4)-axes. Abstraktina ryhmänä Td on isomorfinen O:n kanssa: molemmat vastaavat neljän alkion symmetriaryhmää S4. Td on T:n ja sen joukon unioni, joka saadaan yhdistämällä O \ T:n jokaiseen alkioon inversio.

Td:n konjugaatioluokat ovat:

  • identtinen kuvaus
  • 8 kpl 120°:n rotaatioita (C3)
  • 3 kpl 180°:n rotaatioita (C2)
  • 6 kpl peilauksia kahden rotaatioakselin kautta kulkevien tasojen suhteen (Cs)
  • 6 kpl peilauksen ja 90°:n rotaation yhdistettyjä kuvauksia (S4).

Akiraalisen tetraedrisen symmetrian aliryhmät

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Akiraalisen tetraedrisen symmetrian aliryhmät
Schoenflies Coxeter Orb. H-M Generaattorit Rakenne Sykl. Kertaluku Indeksi
Td [3,3] *332 43m 3 S4 24 1
C3v [3] *33 3m 2 Dih3=S3 6 4
C2v [2] *22 mm2 2 Dih2 4 6
Cs [ ] * 2 or m 1 Z2 = Dih1 2 12
D2d [2+,4] 2*2 42m 2 Dih4 8 3
S4 [2+,4+] 2× 4 1 Z4 4 6
T [3,3]+ 332 23 2 A4 12 2
D2 [2,2]+ 222 222 2 Dih2 4 6
C3 [3]+ 33 3 1 Z3 = A3 3 8
C2 [2]+ 22 2 1 Z2 2 12
C1 [ ]+ 11 1 1 Z1 1 24

Pyritoedrinen symmetria

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Pyritoedrinen ryhmä Th ja sen perusalue
Lentopallon saumojen muodostamalla kuviolla on pyritoedrinen symmetria.

Pyritoedrisen symmetrian Th, 3*2, [4,3+] tai m3 kertaluku on 24. Tällä ryhmällä on samat rotaatioakselit kuin T:llä sekä symmetriatasot kohtisuorista suunnista kahden läpi. Kolminkertaiset akselit ovat nyt diedrisen symmetrian S6 (3)-akselit, ja niillä on keskeinen inversiosymmetria. Th on isomofrinen T × Z2:n kanssa: jokainen Th:n alkio on joko T:n alkio tai jokin niistä yhdistettynä inversion kanssa. Näiden kahden normaalin aliryhmän lisäksi on myös normaali aliryhmä D2h, joka on samalla suorakulmaisen särmiön symmetriaryhmä, tyyppiä Dih2 × Z2 = Z2 × Z2 × Z2. Se on edellä mainitun normaalin aliryhmän T ja pisteen suhteen suoritetun peilauksen Ci suora tulo. Tekijäryhmä on sama kuin edellä: tyyppiä Z3. Viimeksi mainitun kolme alkiota ovat identtinen kuvaus sekä rotaatiot myötäpäivään ja vastapäivään, mitkä vastaavat kahden kohtisuoran kaksinkertaisen akselin orientaation säilyttäviä permutaatioita.

Pyritoedrinen symmetria on sellaisen kuution symmetria, jonka jokaiselle tahkolle on piirretty jana, joka jakaa sen kahteen suorakulmioon siten, että toisiaan koskettavilla tahkoilla näillä janoilla ei ole yhteisiä päätepisteitä kuution särmillä. Nämä symmetriat vastaavat kappaleen avaruuslävistäjien parillisia permutaatioita sekä kuvauksia, jotka muodostetaan yhdistämällä nämä ja inversio. Samalla se on pyritoedrin symmetria, toisin sanoen kappaleen, joka muistuttaa edellä mainittua kuutiota, mutta jossa jokainen suorakulmio on korvattu viisikulmiolla, jossa on yksi symmetria-akseli, neljä yhtä pitkää sivua ja yksi eripituinen sivu (joka vastaa kuution tahkot kahtia jakavia janoja); toisin sanoen kuution tahkot kapenevat näiden jakolinjojen lähellä. Tämä on säyden ikosaedrisen symmetrian aliryhmä myös isometrisena, ei vain abstraktina ryhmänä, ja siinä on mukan neljä ikosaedrisen symmetrian 10 kolminkertaisesta akselista.

Th:n konjugaattiluokkiin kuuluvat T:n konjugaattiluokat ja niiden inversiot, seuraavat 24 kuvausta:

  • identtinen kuvaus
  • 8 kpl 120°:n rotaatioita (C3)
  • 3 kpl 180°:n rotaatioita (C2)
  • inversio (S2)
  • 8 kpl 60°:n rotaation ja peilauksen yhdistettyjä kuvauksia eli rotoreflektioita (S6)
  • 3 kpl peilauksia tasojen suhteen (Cs)

Pyritoedrisen symmetrian aliryhmät

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Pyritoedriset aliryhmät
Schoenflies Coxeter Orb. H-M Generaattorit Rakenne Sykl. Kertaluku Indeksi
Th [3+,4] 3*2 m3 2 A4×2 24 1
D2h [2,2] *222 mmm 3 Dih2×Dih1 8 3
C2v [2] *22 mm2 2 Dih2 4 6
Cs [ ] * 2 or m 1 Dih1 2 12
C2h [2+,2] 2* 2/m 2 Z2×Dih1 4 6
S2 [2+,2+] × 1 1 2 or Z2 2 12
T [3,3]+ 332 23 2 A4 12 2
D3 [2,3]+ 322 3 2 Dih3 6 4
D2 [2,2]+ 222 222 3 Dih4 4 6
C3 [3]+ 33 3 1 Z3 3 8
C2 [2]+ 22 2 1 Z2 2 12
C1 [ ]+ 11 1 1 Z1 1 24

Kappaleita, joilla on kiraalinen tetraedrinen symmetria

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Oheisen kuvan väritys esittää, miten ikosaedri voidaan käsittää pullistetuksi tetraedriksi. Näin väritettynä kappaleella on kiraalinen symmetria.

Kappaleita, joilla on täysi tetraedrinen symmetria

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Luokka Nimi Kuva Tahkoja Särmiä Kärkiä
Platonin kappale tetraedri Tetraedri 4 6 4
Arkhimedeen kappale typistetty tetraedri Typistetty tetraedri 8 18 12
Catalanin kappale triakis-tetraedri Triakis-tetraedri 12 18 8
Near-miss Johnsonin kappale Typistetty triakis-tetraedri 16 42 28
Tetratoitu dodekaedri 28 54 28
Uniforminen tähtimonitahokas Tetrahemiheksaedri 7 12 6

Katso myös

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  • Peter R. Cromwell: Polyhedra, s. 295. Määritä julkaisija!
  • John H. Conway, Heidi Burgiel, Chaim Goodman-Strass: The Symmetry of Things. Määritä julkaisija! ISBN 978-1-56881-220-5
  • F. Arthur Sherk, Peter McMullen, Anthony C. THompson, Asia Ivic Weiss (toim.): Kaleidoscopes: Selected Writings of H.S.M. Cozeter. Wiley-Interscience Publication, 1995. ISBN 978-0-471-01003-6 Teoksen verkkoversio.
  • N. W. Johnson: ”Chapter 11.5: Finite symmetry groups, Spherical Coxeter groups”, Geometries and Transformations. Määritä julkaisija! ISBN 978-1-107-10340-5

Viitteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Käännös suomeksi
Käännös suomeksi
Tämä artikkeli tai sen osa on käännetty tai siihen on haettu tietoja muunkielisen Wikipedian artikkelista.
Alkuperäinen artikkeli: en:Tetrahedric symmetry