Введение
Симметрия встречается не только в геометрии, но и в других областях математики. Симметрия — это тип инвариантности: свойство, при котором математический объект остаётся неизменным под воздействием набора операций или преобразований. Для структурированного объекта X любого типа симметрия представляет собой отображение объекта на себя, сохраняющее структуру. Это может происходить различными способами; например, если X — множество без дополнительной структуры, симметрия — это биективное отображение множества на себя, порождающее группы перестановок. Если объект X — множество точек на плоскости с его метрической структурой или любым другим метрическим пространством, симметрия — это биекция множества на себя, сохраняющая расстояние между каждой парой точек (то есть изометрия). В общем случае, каждый тип структуры в математике имеет свой вид симметрии, многие из которых перечислены выше.
Symmetry occurs not only in geometry, but also in other branches of mathematics. Symmetry is a type of invariance: the property that a mathematical object remains unchanged under a set of operations or transformations. Given a structured object X of any sort, a symmetry is a mapping of the object onto itself which preserves the structure. This can occur in many ways; for example, if X is a set with no additional structure, a symmetry is a bijective map from the set to itself, giving rise to permutation groups. If the object X is a set of points in the plane with its metric structure or any other metric space, a symmetry is a bijection of the set to itself which preserves the distance between each pair of points (i. e., an isometry). In general, every kind of structure in mathematics will have its own kind of symmetry, many of which are listed in the given points mentioned above.
Симметрия в геометрии
Типы симметрии, рассматриваемые в базовой геометрии, включают в себя зеркальную симметрию, вращательную симметрию, симметрию переноса и симметрию скользящего отражения, которые более подробно описаны в основной статье «Симметрия (геометрия)».
Интеграция
Интеграл нечетной функции от −A до +A равен нулю, при условии, что A конечно и функция интегрируема (например, не имеет вертикальных асимптот между −A и A). Интеграл четной функции от −A до +A равен удвоенному интегралу от 0 до +A, при условии, что A конечно и функция интегрируема (например, не имеет вертикальных асимптот между −A и A). Поскольку существует n! (n факториал) возможных перестановок множества из n символов, следует, что порядок (то есть число элементов) симметрической группы Sn равен n!.
Симметричные полиномы
Симметричный многочлен – это многочлен P(X1, X2, ..., Xn) от n переменных, который не изменяется при любой перестановке переменных. Формально, P является симметричным многочленом, если для любой перестановки σ индексов 1, 2, ..., n выполняется равенство P(Xσ(1), Xσ(2), ..., Xσ(n)) = P(X1, X2, ..., Xn). Симметричные многочлены возникают естественным образом при изучении связи между корнями многочлена от одной переменной и его коэффициентами, поскольку коэффициенты можно представить полиномиальными выражениями от корней, и все корни играют в этом случае сходную роль. С этой точки зрения, элементарные симметричные многочлены являются наиболее фундаментальными. Существует теорема, утверждающая, что любой симметричный многочлен может быть выражен через элементарные симметричные многочлены, что означает, что любое симметричное полиномиальное выражение от корней моного многочлена может быть альтернативно представлено полиномиальным выражением от коэффициентов этого многочлена.
Теория Галуа
При заданном многочлене, может оказаться, что некоторые из его корней связаны различными алгебраическими уравнениями. Например, для двух корней, скажем, A и B, может выполняться равенство 1 = A² + 5B³ = 7. Основная идея теории Галуа заключается в рассмотрении тех перестановок (или перестановлений) корней, которые сохраняют любые алгебраические уравнения, справедливые для корней. Важное условие состоит в том, что мы рассматриваем только алгебраические уравнения с рациональными коэффициентами. Таким образом, теория Галуа изучает симметрии, присущие алгебраическим уравнениям.
Автоморфизмы алгебраических объектов
В абстрактной алгебре автоморфизм — это изоморфизм математического объекта в себя. Это, в некотором смысле, симметрия объекта, и способ отображения объекта на себя с сохранением всей его структуры. Множество всех автоморфизмов объекта образует группу, называемую группой автоморфизмов. Это, в широком смысле, группа симметрий объекта.
Примеры
В теории множеств произвольная перестановка элементов множества X является автоморфизмом. Автоморфистическая группа X также называется симметрической группой на X. В элементарной арифметике множество целых чисел Z, рассматриваемое как группа по сложению, имеет единственный нетривиальный автоморфизм: отрицание. Однако, рассматривая его как кольцо, оно имеет только тривиальный автоморфизм. В общем случае, отрицание является автоморфизмом любой абелевой группы, но не кольца или поля. Автоморфизм группы — это групповой изоморфизм из группы в себя. Неформально, это перестановка элементов группы, сохраняющая структуру. Для каждой группы G существует естественный групповой гомоморфизм G → Aut(G), образ которого представляет собой группу Inn(G) внутренних автоморфизмов, а ядро — центр G. Таким образом, если центр G тривиален, то G может быть вложено в свою собственную группу автоморфизмов. В линейной алгебре эндоморфизм векторного пространства V — это линейный оператор V → V. Автоморфизм — это обратимый линейный оператор на V. Когда векторное пространство конечномерно, группа автоморфизмов V совпадает с общей линейной группой GL(V). Автоморфизм поля — это биективный гомоморфизм колец из поля в себя. В случаях рациональных чисел (Q) и действительных чисел (R) не существует нетривиальных автоморфизмов поля. Некоторые подполя R имеют нетривиальные автоморфизмы поля, которые, однако, не могут быть расширены на все R (поскольку они не могут сохранить свойство числа иметь квадратный корень в R). В случае комплексных чисел C существует единственный нетривиальный автоморфизм, отображающий R в R: комплексное сопряжение, но существует бесконечно (несчетно) много "диких" автоморфизмов (при условии аксиомы выбора). Автоморфизмы поля важны для теории расширений поля, в частности расширений Галуа. В случае расширения Галуа L/K подгруппа всех автоморфизмов L, фиксирующих K поточечно, называется группой Галуа расширения.
Симметричные отношения
Мы называем отношение симметричным, если для любой пары элементов, для которой отношение действует от А к В, оно действует и от В к А. Обратите внимание, что симметрия – это не точная противоположность антисимметрии.
Изометрии пространства
Изометрия — это отображение, сохраняющее расстояния между метрическими пространствами. Если задано метрическое пространство или множество с определенным способом вычисления расстояний между его элементами, то изометрия — это преобразование, которое переводит элементы в другое метрическое пространство так, что расстояние между элементами в новом пространстве равно расстоянию между ними в исходном пространстве. В двухмерном или трехмерном пространстве две геометрические фигуры считаются конгруэнтными, если между ними существует изометрия, то есть они связаны жестким движением или композицией жесткого движения и отражения. Если не учитывать связь жестким движением, то они равны, если связаны прямой изометрией. Изометрии используются для унификации рабочего определения симметрии в геометрии, а также применительно к функциям, распределениям вероятностей, матрицам, последовательностям, графам и т.д.
Симметрии дифференциальных уравнений
Симметрия дифференциального уравнения — это преобразование, оставляющее дифференциальное уравнение инвариантным. Знание таких симметрий может помочь в решении дифференциального уравнения. Линейная симметрия системы дифференциальных уравнений представляет собой непрерывную симметрию этой системы. Знание линейной симметрии может быть использовано для упрощения обыкновенного дифференциального уравнения посредством понижения порядка. Для обыкновенных дифференциальных уравнений знание подходящего набора симметрий Ли позволяет явно вычислить набор первых интегралов, что дает полное решение без интегрирования. Симметрии можно найти, решив соответствующий набор обыкновенных дифференциальных уравнений. Решение этих уравнений часто значительно проще, чем решение исходных дифференциальных уравнений.
Симметрия в вероятности
В случае конечного числа возможных исходов симметрия относительно перестановок (перемещений) подразумевает дискретное равномерное распределение. В случае реального интервала возможных исходов симметрия относительно обмена подинтервалами одинаковой длины соответствует непрерывному равномерному распределению. В других случаях, таких как "выбор случайного целого числа" или "выбор случайного вещественного числа", не существует распределений вероятностей, симметричных относительно перестановок или обмена подинтервалами одинаковой длины. Другие разумные симметрии не выделяют какое-либо конкретное распределение, или, иными словами, не существует единственного распределения вероятности, обеспечивающего максимальную симметрию. Существует один тип изометрии в одном измерении, который может оставить распределение вероятности неизменным, а именно отражение относительно точки, например, начала координат. Возможной симметрией для случайных величин с положительными значениями является то, что указанное свойство применимо к логарифму, то есть исходное значение и его обратная величина имеют одинаковое распределение. Однако эта симметрия не выделяет какое-либо конкретное распределение однозначно. Для "случайной точки" на плоскости или в пространстве можно выбрать начало координат и рассмотреть распределение вероятностей с круговой или сферической симметрией, соответственно.