Введение
В геометрии, изометрия евклидовой плоскости — это преобразование евклидовой плоскости, сохраняющее геометрические свойства, такие как длина. Существует четыре типа изометрий: сдвиги, вращения, отражения и скользящие отражения (см. ниже). Множество изометрий евклидовой плоскости образует группу относительно композиции, называемую евклидовой группой в двух измерениях. Она порождается отражениями относительно прямых, и любой элемент евклидовой группы является композицией не более чем трех различных отражений.
Неформальная дискуссия
Неформально, евклидова плоская изометрия – это любое преобразование плоскости без её "деформации". Например, представим, что евклидова плоскость – это лист прозрачного пластика, лежащий на столе. Примеры изометрий включают: сдвиг листа на один дюйм вправо, поворот листа на десять градусов вокруг отмеченной точки (которая остаётся неподвижной), переворачивание листа, чтобы посмотреть на него с обратной стороны. Обратите внимание, что если на листе нарисован рисунок, то после переворачивания мы увидим его зеркальное отражение. Это примеры сдвигов, вращений и отражений соответственно. Существует ещё один тип изометрии, называемый скользящим отражением (см. ниже в разделе "Классификация евклидовых плоских изометрий"). Однако складывание, разрезание или плавление листа изометрией не считаются. Также не являются изометриями менее значительные изменения, такие как изгиб, растяжение или скручивание.
Shifting the sheet one inch to the right. Rotating the sheet by ten degrees around some marked point (which remains motionless). Turning the sheet over to look at it from behind. Notice that if a picture is drawn on one side of the sheet, then after turning the sheet over, we see the mirror image of the picture. These are examples of translations, rotations, and reflections respectively. There is one further type of isometry, called a glide reflection (see below under classification of Euclidean plane isometries). However, folding, cutting, or melting the sheet are not considered isometries. Neither are less drastic alterations like bending, stretching, or twisting.
Классификация
Можно показать, что существует четыре типа евклидовых изометрий плоскости. (Примечание: обозначения для типов изометрий, перечисленных ниже, не полностью стандартизированы.)
Жесткие преобразования
Совокупность преобразований и вращений вместе образуют жесткие движения или жесткие перемещения. Эта совокупность образует группу относительно композиции, группу жестких движений, являющуюся подгруппой полной группы евклидовых изометрий.
Изометрии как группа отражения
Отражения, или зеркальные изометрии, можно комбинировать для получения любой изометрии. Следовательно, изометрии представляют собой пример группы отражений.
Три зеркала - достаточно .
Добавление большего количества зеркал не увеличивает число возможностей (в плоскости), поскольку их всегда можно переставить так, чтобы они взаимно уничтожали друг друга.
Структура группы
Изометрии, требующие нечетного числа зеркал — отражения и скольжения — всегда меняют местами лево и право. Четные изометрии — тождественное преобразование, вращение и сдвиг — никогда этого не делают; они соответствуют жестким преобразованиям и образуют нормальную подгруппу полной евклидовой группы изометрий. Ни полная группа, ни четная подгруппа не являются абелевыми; например, изменение порядка применения двух параллельных отражений меняет направление сдвига, который они вызывают. Поскольку четная подгруппа нормальна, она является ядром гомоморфизма в факторгруппу, которая изоморфна группе, состоящей из отражения и тождественного преобразования. Однако полная группа не является прямым произведением, а лишь полупрямым произведением четной подгруппы и факторгруппы.
Состав
Состав изометрий смешивает типы различными способами. Идентичность можно рассматривать как два зеркала или их отсутствие; в любом случае, она не оказывает влияния при композиции. Два отражения дают либо сдвиг, либо вращение, либо идентичность (которая является обоими в тривиальном смысле). Отражение, составленное с любым из этих преобразований, может сократиться до одного отражения; в противном случае получается единственная доступная изометрия с тремя зеркалами – скользящее отражение. Пара сдвигов всегда сводится к одному сдвигу; поэтому наиболее сложные случаи связаны с вращениями. Мы знаем, что композиция вращения с вращением или сдвигом должна давать четную изометрию. Композиция со сдвигом производит другое вращение (на ту же величину, но со сдвинутой неподвижной точкой), а композиция с вращением может давать либо сдвиг, либо вращение. Часто утверждают, что композиция двух вращений дает вращение, и Эйлер доказал теорему об этом в 3D; однако это верно только для вращений, имеющих общую неподвижную точку.
Перевод, вращение и ортогональные подгруппы
Таким образом, у нас есть два новых типа подгрупп изометрии: все сдвиги и вращения, имеющие общую неподвижную точку. Обе они являются подгруппами четной подгруппы, в которой сдвиги являются нормальной подгруппой. Поскольку сдвиги являются нормальной подгруппой, мы можем вынести их, получив подгруппу изометрий с неподвижной точкой – ортогональную группу.
Дискретные подгруппы
Обсуждаемые до сих пор подгруппы не только бесконечны, но и непрерывны (группы Ли). Любая подгруппа, содержащая хотя бы один ненулевой сдвиг, должна быть бесконечной, но подгруппы ортогональной группы могут быть конечными. Например, симметрии правильного пятиугольника состоят из вращений на целые кратные 72° (360° / 5), а также отражений в пяти зеркалах, перпендикулярно делящих стороны. Это группа D5, содержащая 10 элементов. У неё есть подгруппа C5, вдвое меньшая, без отражений. Эти две группы принадлежат двум семействам, Dn и Cn, для любого n > 1. Вместе эти семейства образуют группы розеток. Сдвиги не замыкаются сами на себя, но мы можем брать целые кратные любого конечного сдвига или суммы кратных двух таких независимых сдвигов в качестве подгруппы. Они порождают решетку периодической мощения плоскости. Мы также можем объединить эти два типа дискретных групп – дискретные вращения и отражения вокруг фиксированной точки и дискретные сдвиги – для получения групп фризов и групп обоев. Любопытно, что лишь немногие групп фиксированных точек оказываются совместимыми с дискретными сдвигами. Фактически, совместимость с решеткой накладывает настолько жесткое ограничение, что, с точностью до изоморфизма, существует только 7 различных групп фризов и 17 различных групп обоев. Например, симметрии пятиугольника, D5, несовместимы с дискретной решеткой сдвигов. (Каждое более высокое измерение также имеет лишь конечное число таких кристаллографических групп, но их число быстро растет; например, в 3D имеется 230 групп, а в 4D – 4783).