几何学 中,三维点群 是三维空间中,任何一个固定原点的对称群 。等价的说法是,其为球面 的对称群。此类群皆为正交群
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的子群 ,即固定原点的全体等距同构 组成的群 ,亦可视为全体正交矩阵 的乘法群。
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
本身则是全体等距同构的欧氏群
E
(
3
)
{\displaystyle E(3)}
的子群。
立体的对称群 必由等距同构组成,反之,要分析等距对称构成的群,就是分析所有可能的对称 。有界三维立体的全体等距同构,必存在共同的不动点,不妨设其中之一为原点。
立体的对称群,有时称为全体对称群 作强调,用以突显与旋转群 (或真对称群 )的分别。立体的旋转群是其全体对称群与三维空间本身的旋转群
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
之交。立体的旋转群等于全体对称群,当且仅当 立体具手性 。
三维点群在化学 广泛用于描述分子 的对称,及组成共价键 的分子轨域 的对称。此背景下,也称分子对称群 。
有限考克斯特群 是一族特殊的点群,仅由过原点的若干个镜射生成。
n
{\displaystyle n}
阶考克斯特群是由
n
{\displaystyle n}
个镜射生成,可以考克斯特-丹金图 表示。考克斯特符号 则改为用方括号和数字描述,并设有其他标记,用以表示旋转群或其他子群。
群结构
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
是直接欧氏群
E
+
(
3
)
{\displaystyle E^{+}(3)}
的子群,其元素皆是直接 等距同构,即保持定向 的等距变换。
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
仅含保持原点不变的直接等距同构。
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
则是
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
与点反演 生成的群
{
I
,
−
I
}
{\displaystyle \{I,-I\}}
的直积 :(此处点反演以其矩阵
−
I
{\displaystyle -I}
表示,即单位矩阵
I
{\displaystyle I}
乘上
−
1
{\displaystyle -1}
。)
O
(
3
)
=
S
O
(
3
)
×
{
I
,
−
I
}
.
{\displaystyle O(3)=SO(3)\times \{I,-I\}.}
所以,三维空间中,藉点反演,可以得到直接与间接等距变换之间的一一对应 ,此外,
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
中仅由直接等距变换组成的子群
H
{\displaystyle H}
(必包含在
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
中,亦与
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
中含有点反演的子群
K
{\displaystyle K}
一一对应。对应关系如下:
K
=
H
×
{
I
,
−
I
}
,
{\displaystyle K=H\times \{I,-I\},}
H
=
K
∩
S
O
(
3
)
.
{\displaystyle H=K\cap SO(3).}
例如,若
H
{\displaystyle H}
为
C
2
{\displaystyle C_{2}}
,则
K
{\displaystyle K}
为
C
2
h
{\displaystyle C_{\mathrm {2h} }}
;若
H
{\displaystyle H}
为
C
3
{\displaystyle C_{3}}
,则
K
{\displaystyle K}
为
S
6
{\displaystyle S_{6}}
。(定义载于下文。)
若直接等距同构群
H
{\displaystyle H}
有指数 为
2
{\displaystyle 2}
的子群
L
{\displaystyle L}
,则除以上含点反演的子群外,还有另一个对应的子群
M
=
L
∪
(
(
H
∖
L
)
×
{
−
I
}
)
,
{\displaystyle M=L\cup \left((H\setminus L)\times \{-I\}\right),}
含有间接等距变换,但不含点反演。式中
(
A
,
I
)
{\displaystyle (A,I)}
与
A
{\displaystyle A}
视为等同。举例
H
{\displaystyle H}
为
C
4
{\displaystyle C_{4}}
,而
M
{\displaystyle M}
为
S
4
{\displaystyle S_{4}}
。
换言之,
M
{\displaystyle M}
是将
H
∖
L
{\displaystyle H\setminus L}
中的变换,乘上
−
I
{\displaystyle -I}
得到。此群
M
{\displaystyle M}
作为抽象群与
H
{\displaystyle H}
同构。反之,任意对称群,若有间接等距变换,但无点反演,则可以将所有间接变换反演,而变成旋转群。等距群的分类(见下文)中,可以用此性质化简问题。
二维情况下,
k
{\displaystyle k}
重旋转 的循环群
C
k
{\displaystyle C_{k}}
皆是
O
(
2
)
{\displaystyle O(2)}
和
S
O
(
2
)
{\displaystyle SO(2)}
的正规子群 。在三维中,固定旋转轴,则相应有绕该轴的
k
{\displaystyle k}
重循环群
C
k
{\displaystyle C_{k}}
,是绕该轴的全体旋转群的正规子群。此外,由于指数为
2
{\displaystyle 2}
的子群必正规,
C
n
{\displaystyle C_{n}}
在
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
中正规,也在
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
中正规。此处
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
是向
C
n
{\displaystyle C_{n}}
添加过旋转轴的反射面生成,而
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
则是向
C
n
{\displaystyle C_{n}}
添加与轴垂直的反射面生成。
固定原点的三维等距变换
R
3
{\displaystyle \mathrm {R} ^{3}}
的等距变换中,固定原点的变换,组成正交群
O
(
3
,
R
)
{\displaystyle O(3,\mathbb {R} )}
,简记为
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
。其元素分类如下:
子群
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
中:
单位(恒等变换);
绕过原点某轴的旋转,且角度不为
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
;
绕过原点某轴的旋转,且角度为
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
;
及以上变换但额外乘上点反演 (将向量
x
{\displaystyle x}
映去
−
x
{\displaystyle -x}
),即:
点反演;
绕过原点的某轴,作角度不为
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
的旋转,后再作一次镜射,镜射面过原点,且与旋转轴垂直;
关于过原点某平面的镜射。
后三种元素又称瑕旋转 。(视乎定义,末一种未必算。)
连同平移变换的简介,见欧几里得群 。
共轭
比较两件立体的对称类时,原点可以分别选取,即两件立体的中心不必相同。更甚者,两件立体具有相同对称类 ,意思是其对称群
H
1
,
H
2
{\displaystyle H_{1},H_{2}}
在
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
中为共轭子群 ,即存在
g
∈
O
(
3
)
{\displaystyle g\in O(3)}
,使
H
1
=
g
−
1
H
2
g
{\displaystyle H_{1}=g^{-1}H_{2}g}
。
举例:
两件立体各仅有镜射对称,即使并非关于同一镜面,仍属同样的对称类;
同样,若各仅有三重旋转对称,即使轴向不同,仍属同样的对称类。
若立体的对称群有多条旋转轴或多个镜面,或两者皆有,则两个对称群同属一类,当且仅当有另一个旋转
g
{\displaystyle g}
,将前一个对称群的整个结构,变换成后一个对称群。(此种旋转会多于一个,但不会是无穷多个。仅有一条旋转轴或一个镜面时,此种旋转方会有无穷多个。)按定义,上文的
g
{\displaystyle g}
不必为旋转,也可以为镜射,然而,由于对称群的结构不具手性,祇需取
g
{\displaystyle g}
为旋转。(但空间群 则不然,有
11
{\displaystyle 11}
对空间群 具有手性,因为有螺旋变换。)
无穷等距变换群
有许多无穷等距变换群 ,如绕任意轴转任意无理 角度(即圈数或度数为无理数,或弧度数为
π
{\displaystyle \pi }
的无理数倍)的旋转,所生成的无穷循环群 ;若加入绕同一轴的其他旋转,还可以组成许多非循环的交换群 。取不共轴的旋转,则生成非交换群。一般而言 ,此等非交换群皆为自由群 。仅有特别选取的旋转,方能得到有限群,否则一般皆是无穷群。
作为拓扑群
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的子群,上述无穷子群皆非闭子群 。以下讨论
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的拓扑闭子群:
无标记特定点的球面 ,对称群为
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
。
整个
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
是球对称 群、
相应的旋转群 是
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
、
其他无穷等距变换群有五个,皆含有过原点的某轴,绕该轴的所有旋转 ,另外可以:
添加或不添加过轴的各镜面反射,
另添加或不添加过原点与轴垂直的镜面反射。(共四个)
最后,若以上两种反射都无添加,则可以只添加两者的复合,相当于添加与原旋转轴垂直的轴上的
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋转。(一个)
添加过轴的各镜面反射的群,不论有否添加过原点与轴垂射的镜面反射,称为两种圆柱对称性 。注意若物理实体有无穷旋转对称,则亦必关于过轴的镜面对称。
此七个连续群,称为极限点群 或居里极限群 ,得名自最早研究此种群的皮埃尔·居里 。[ 1] [ 2] 轴向群可以分成七列无穷序列,其极限给出五个轴向极限群(有两个重复),而
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
、
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
则不是轴向群的极限。国际记号 中,此七个群记为
∞
,
∞
2
,
∞
/
m
,
∞
m
m
,
∞
/
m
m
,
∞
∞
,
∞
∞
m
{\displaystyle \infty ,\ \infty 2,\ \infty /\mathrm {m} ,\ \infty \mathrm {mm} ,\ \infty /\mathrm {mm} ,\ \infty \infty ,\ \infty \infty \mathrm {m} }
,次序在下文明确给出。[ 3]
有限等距变换群
三维空间的对称中,保持原点不动,等价于保持以原点为球心的球面。关于有限的三维点群,亦可参见球面有限对称群列表 。
不别共轭之异 ,三维有限点群只有:
7
{\displaystyle 7}
个无穷列,此七类群中,每个群至多一条旋转轴有多于两重旋转。该些群皆是圆柱面 的对称群(的有限子群),其中圆柱面有限长或无限长是等价的,有时称为轴向点群 (英语:axial point groups )或棱柱点群 (英语:prismatic point groups )。
7
{\displaystyle 7}
个其他点群,每个有至少两条至少三重的旋转轴;也可以等价写成有至少两条三重旋转轴,因为全部七个都有多条三重旋转轴。若数出其三重以上的旋转轴,所有可能组合有:
4
{\displaystyle 4}
条三重轴、
4
{\displaystyle 4}
条三重轴及
3
{\displaystyle 3}
条四重轴、
10
{\displaystyle 10}
条三重轴及
6
{\displaystyle 6}
条五重轴。
根据晶体学限制定理 ,仅得很少点群与离散平移对称 相容:七列轴向点群中,有
27
{\displaystyle 27}
个;七个其他点群中,有
5
{\displaystyle 5}
个,合共
32
{\displaystyle 32}
个,称为晶体学点群 。
七类轴向点群
有七列轴向点群。每列有无穷多个群,各可用正整数
n
{\displaystyle n}
标示。每列第
n
{\displaystyle n}
个群,含绕某轴的
n
{\displaystyle n}
重旋转,即旋转
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
,故
n
=
1
{\displaystyle n=1}
对应转一整圈,即不旋转。七列轴向点群中,四列无其他旋转轴(称循环对称 ),另三列有其他二重旋转轴(称二面对称 )。该些群可以视为二维点群 添加轴向坐标和关于轴的反射而成,也与带群 相关。[ 4] 可以将轴向点群理解为带群的图案在绕柱面恰好重复
n
{\displaystyle n}
次。
下表列出点群的几种记号:晶体学 的赫尔曼–莫甘记号 、分子对称性 的熊夫利记号 、轨形记号 、考克斯特记号 。后三者不仅方便读出群的性质,还与群的阶数密切相关。轨形记号同时通用于墙纸群 与带群 。晶体群的
n
{\displaystyle n}
仅能取
1
,
2
,
3
,
4
,
6
{\displaystyle 1,2,3,4,6}
(晶体学限制定理 ),而若移除该限制,则
n
{\displaystyle n}
可取任意正整数。七列轴向点群为:
赫-莫
熊夫利
轨形
考克斯特
带群
抽象结构 (群阶 )
例子
备注
n
{\displaystyle n}
偶
n
{\displaystyle n}
奇
(圆柱)
n
{\displaystyle n}
C
n
{\displaystyle C_{n}}
n
n
{\displaystyle nn}
[
n
]
+
{\displaystyle [n]^{+}}
p1
循环群
Z
n
{\displaystyle Z_{n}}
(
n
{\displaystyle n}
)
n
{\displaystyle n}
重旋转对称
2
n
¯
{\displaystyle {\overline {2n}}}
n
¯
{\displaystyle {\overline {n}}}
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
n
×
{\displaystyle n\times }
[
2
n
+
,
2
+
]
{\displaystyle [2n^{+},2^{+}]}
p11g
Z
2
n
{\displaystyle Z_{2n}}
(
2
n
{\displaystyle 2n}
)
n
{\displaystyle n}
重旋转反射 对称 勿与
2
n
{\displaystyle 2n}
次抽象对称群 混淆
n
/
m
{\displaystyle n/\mathrm {m} }
2
n
¯
{\displaystyle {\overline {2n}}}
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
n
∗
{\displaystyle n^{*}}
[
n
+
,
2
]
{\displaystyle [n^{+},2]}
p11m
Z
n
×
Z
2
{\displaystyle Z_{n}\times Z_{2}}
(
2
n
{\displaystyle 2n}
)
n
m
m
{\displaystyle n\mathrm {mm} }
n
m
{\displaystyle n\mathrm {m} }
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
∗
n
n
{\displaystyle {}^{*}nn}
[
n
]
{\displaystyle [n]}
p1m1
二面体群
D
i
h
n
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{n}}
(
2
n
{\displaystyle 2n}
)
棱锥 对称 生物学又称双辐射状对称
n
22
{\displaystyle n22}
n
2
{\displaystyle n2}
D
n
{\displaystyle D_{n}}
22
n
{\displaystyle 22n}
[
n
,
2
]
+
{\displaystyle [n,2]^{+}}
p211
D
i
h
n
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{n}}
(
2
n
{\displaystyle 2n}
)
二面体对称
2
n
¯
2
m
{\displaystyle {\overline {2n}}2\mathrm {m} }
n
¯
m
{\displaystyle {\overline {n}}\mathrm {m} }
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
2
∗
n
{\displaystyle 2^{*}n}
[
2
n
,
2
+
]
{\displaystyle [2n,2^{+}]}
p2mg
D
i
h
2
n
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{2n}}
(
4
n
{\displaystyle 4n}
)
反棱柱 对称
n
/
m
m
m
{\displaystyle n/\mathrm {mmm} }
2
n
¯
2
m
{\displaystyle {\overline {2n}}2\mathrm {m} }
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
∗
22
n
{\displaystyle {}^{*}22n}
[
n
,
2
]
{\displaystyle [n,2]}
p2mm
D
i
h
n
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{n}\times Z_{2}}
(
4
n
{\displaystyle 4n}
)
棱柱 对称
对奇数
n
{\displaystyle n}
,有抽象群同构
Z
2
n
≅
Z
n
×
Z
2
{\displaystyle Z_{2n}\cong Z_{n}\times Z_{2}}
及
D
i
h
2
n
≅
D
i
h
n
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{2n}\cong \mathrm {Dih} _{n}\times Z_{2}}
。
群
C
n
{\displaystyle C_{n}}
(包括平凡群
C
1
{\displaystyle C_{1}}
)及
D
n
{\displaystyle D_{n}}
有手性,其他则无手性。
术语水平 (horizontal, h )与竖直 (vertical, v )描述反射面的方向,以旋转轴为竖直,故反射面水平即垂直于与旋转轴,反射面竖直即包含为旋转轴。相应下标用字母h和v。
最简单的非平凡轴向群皆同构于抽象群
Z
2
{\displaystyle Z_{2}}
,但是
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的不同子群(即不共轭):
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
(等同
S
2
{\displaystyle S_{2}}
)——点反演对称
C
2
{\displaystyle C_{2}}
——二重旋转对称
C
s
{\displaystyle C_{\mathrm {s} }}
(等同
C
1
h
{\displaystyle C_{1\mathrm {h} }}
和
C
1
v
{\displaystyle C_{1\mathrm {v} }}
)——反射对称 ,生物学 又称两侧对称 (英语:bilateral symmetry )。
七条圆柱形带上,印有不同图样,使各自的对称群等于七列轴向群中,取
n
=
6
{\displaystyle n=6}
的情况。
第一组单轴循环群 中,
C
n
{\displaystyle C_{n}}
的阶为
n
{\displaystyle n}
(二维情况同样适用),是由单一个角度为
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
的旋转生成。若向此群加入一个与轴垂直的镜面(的反射),则生成
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
,阶为
2
n
{\displaystyle 2n}
。若不加入与轴垂直的镜面,但加入
n
{\displaystyle n}
块通过轴的镜面,则得到
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
,阶亦为
2
n
{\displaystyle 2n}
。后者是正
n
{\displaystyle n}
棱锥 的对称群。具
C
n
{\displaystyle C_{n}}
或
D
n
{\displaystyle D_{n}}
的典型物体是螺旋桨 。
若上述两种镜面皆加入,则水平镜面与竖直镜面相交得到
n
{\displaystyle n}
条轴,而镜射的复合 生成绕该些轴的
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋转,故群不再单轴。新群的阶为
4
n
{\displaystyle 4n}
,记为
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
。其旋转子群为
2
n
{\displaystyle 2n}
个元素的二面体群
D
n
{\displaystyle D_{n}}
,仍有与主(
n
{\displaystyle n}
重)旋转轴垂直的二重旋转轴,但不再有镜面。
注意,在二维,
D
n
{\displaystyle D_{n}}
包括镜射,但镜射也可以视为将不辨前后之别的扁平物体翻转得到。但在三维,镜射与翻转不再相同:群
D
n
{\displaystyle D_{n}}
有翻转但无镜射。
余下一类是
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
(或
D
n
v
{\displaystyle D_{n\mathrm {v} }}
),其有包含主旋转轴的竖直镜面,但没有水平镜面,取而代之的操作是先水平镜射,再旋转
180
∘
/
n
{\displaystyle 180^{\circ }/n}
。
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
是正
n
{\displaystyle n}
棱柱 和双棱锥 的对称群。
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
则是正
n
{\displaystyle n}
角反棱柱 的对称群,亦是正
n
{\displaystyle n}
方偏方面体 的对称群。最后,
D
n
{\displaystyle D_{n}}
是稍稍扭过的正
n
{\displaystyle n}
棱柱的对称群。
D
2
{\displaystyle D_{2}}
及
D
2
h
{\displaystyle D_{2\mathrm {h} }}
较特殊,因为并无特别的主旋转轴:三条互相垂直的旋转轴皆为二重轴。
D
2
{\displaystyle D_{2}}
是下节所有多面体对称群的子群,而
D
2
h
{\displaystyle D_{2\mathrm {h} }}
则是多面体群
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
与
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
的子群。
D
2
{\displaystyle D_{2}}
可以作为下列化学品的对称群:
D
2
{\displaystyle D_{2}}
的元素,与利普希茨四元数 的可逆元 表示的旋转,有一对二的关系。
群
S
n
{\displaystyle S_{n}}
由“先关于水平面作镜射,再旋转
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
”生成。对于奇数
n
{\displaystyle n}
,是等于前述两个操作分开执行,生成的群
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
,阶为
2
n
{\displaystyle 2n}
,故不必用到记号
S
n
{\displaystyle S_{n}}
。然而,对偶数
n
{\displaystyle n}
,两个群有差异,且
S
n
{\displaystyle S_{n}}
仅有
n
{\displaystyle n}
个元素。与
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
类似,其包含若干瑕旋转 ,但不包含对应的旋转。
七列轴向群的元素仅有下列四对重复:
C
1
h
{\displaystyle C_{1\mathrm {h} }}
及
C
1
v
{\displaystyle C_{1\mathrm {v} }}
:阶数为
2
{\displaystyle 2}
,由独一个镜射生成。又称
C
s
{\displaystyle C_{\mathrm {s} }}
。
D
1
{\displaystyle D_{1}}
与
C
2
{\displaystyle C_{2}}
:阶数为
2
{\displaystyle 2}
,由独一个
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋转生成。
D
1
h
{\displaystyle D_{1\mathrm {h} }}
与
C
2
v
{\displaystyle C_{2\mathrm {v} }}
:阶数为
4
{\displaystyle 4}
,由一个镜射与镜面上一条轴的
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋转生成。
D
1
d
{\displaystyle D_{1\mathrm {d} }}
与
C
2
h
{\displaystyle C_{2\mathrm {h} }}
:阶数为
4
{\displaystyle 4}
,由一个镜射与一条垂直于镜面的轴的
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋转生成。
S
2
{\displaystyle S_{2}}
是由独一个点反演 生成的
2
{\displaystyle 2}
阶群,又记为
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
。
此处“重复”是指作为
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的子群共轭,是强于作为抽象群代数同构的条件。例如,前一种意义下,有三个不同的
2
{\displaystyle 2}
阶群,但祇有一个
2
{\displaystyle 2}
阶抽象群。类似,也有
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
与
Z
2
n
{\displaystyle Z_{2n}}
抽象同构。
群的构造亦可描述如下:
C
n
{\displaystyle C_{n}}
是由独一个元素生成,生成元亦称为
C
n
{\displaystyle C_{n}}
,是绕轴转
2
π
/
n
{\displaystyle 2\pi /n}
。群的元素是:
E
{\displaystyle E}
(单位元),
C
n
,
C
n
2
,
…
,
C
n
n
−
1
{\displaystyle C_{n},C_{n}^{2},\ldots ,C_{n}^{n-1}}
,对应旋转角
0
,
2
π
/
n
,
4
π
/
n
,
…
,
2
(
n
−
1
)
π
/
n
{\displaystyle 0,\ 2\pi /n,\ 4\pi /n,\ \ldots ,\ 2(n-1)\pi /n}
。该轴视为竖直轴。
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
由独一个元素
C
2
n
σ
h
{\displaystyle C_{2n}\sigma _{\mathrm {h} }}
生成,其中
σ
h
{\displaystyle \sigma _{\mathrm {h} }}
是水平面的镜射。群的元素是
C
n
{\displaystyle C_{n}}
的元素,另加
C
2
n
σ
h
,
C
2
n
3
σ
h
,
C
2
n
5
σ
h
,
…
,
C
2
n
2
n
−
1
σ
h
{\displaystyle C_{2n}\sigma _{\mathrm {h} },\ C_{2n}^{3}\sigma _{\mathrm {h} },\ C_{2n}^{5}\sigma _{\mathrm {h} },\ \ldots ,\ C_{2n}^{2n-1}\sigma _{\mathrm {h} }}
。
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
由
C
n
{\displaystyle C_{n}}
与反射
σ
h
{\displaystyle \sigma _{\mathrm {h} }}
生成。群的元素是
C
n
{\displaystyle C_{n}}
的元素,另加
σ
h
,
C
n
σ
h
,
C
n
2
σ
h
,
…
,
C
n
n
−
1
σ
h
{\displaystyle \sigma _{\mathrm {h} },\ C_{n}\sigma _{\mathrm {h} },\ C_{n}^{2}\sigma _{\mathrm {h} },\ \ldots ,\ C_{n}^{n-1}\sigma _{\mathrm {h} }}
。
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
由
C
n
{\displaystyle C_{n}}
与竖直镜面的反射
σ
v
{\displaystyle \sigma _{\mathrm {v} }}
生成。群的元素是
C
n
{\displaystyle C_{n}}
的元素,另加
σ
v
,
C
n
σ
v
,
C
n
2
σ
v
,
…
,
C
n
n
−
1
σ
v
{\displaystyle \sigma _{\mathrm {v} },\ C_{n}\sigma _{\mathrm {v} },\ C_{n}^{2}\sigma _{\mathrm {v} },\ \ldots ,\ C_{n}^{n-1}\sigma _{\mathrm {v} }}
。
D
n
{\displaystyle D_{n}}
是由
C
n
{\displaystyle C_{n}}
与绕水平面上某轴
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
的旋转
U
=
σ
h
σ
v
{\displaystyle U=\sigma _{\mathrm {h} }\sigma _{\mathrm {v} }}
,其元素是
C
n
{\displaystyle C_{n}}
的元素,另加
U
,
C
n
U
,
C
n
2
U
,
…
,
C
n
n
−
1
U
{\displaystyle U,\ C_{n}U,\ C_{n}^{2}U,\ \ldots ,\ C_{n}^{n-1}U}
。
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
由元素
C
2
n
σ
h
{\displaystyle C_{2n}\sigma _{\mathrm {h} }}
与
σ
v
{\displaystyle \sigma _{\mathrm {v} }}
生成。元素是
C
n
{\displaystyle C_{n}}
的元素,加上
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
与
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
的额外元素,再加上
C
2
n
σ
h
σ
v
,
C
2
n
3
σ
h
σ
v
,
C
2
n
5
σ
h
σ
v
,
…
,
C
2
n
2
n
−
1
σ
h
σ
v
{\displaystyle C_{2n}\sigma _{\mathrm {h} }\sigma _{\mathrm {v} },\ C_{2n}^{3}\sigma _{\mathrm {h} }\sigma _{\mathrm {v} },\ C_{2n}^{5}\sigma _{\mathrm {h} }\sigma _{\mathrm {v} },\ \ldots ,\ C_{2n}^{2n-1}\sigma _{\mathrm {h} }\sigma _{\mathrm {v} }}
。
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
由元素
C
n
,
σ
h
,
σ
v
{\displaystyle C_{n},\ \sigma _{\mathrm {h} },\ \sigma _{\mathrm {v} }}
生成。其元素为
C
n
{\displaystyle C_{n}}
的元素,再加上
C
n
h
,
C
n
v
,
D
n
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} },\ C_{n\mathrm {v} },\ D_{n}}
的所有额外元素。
取
n
{\displaystyle n}
趋向
∞
{\displaystyle \infty }
的极限,则得到连续轴向群(或无穷阶轴向群):
赫-莫
熊夫利
轨形
考克斯特
是何序列的极限
抽象群
∞
{\displaystyle \infty }
C
∞
{\displaystyle C_{\infty }}
∞
∞
{\displaystyle \infty \infty }
[
∞
]
+
{\displaystyle [\infty ]^{+}}
C
n
{\displaystyle C_{n}}
Z
∞
{\displaystyle Z_{\infty }}
S
O
(
2
)
{\displaystyle SO(2)}
∞
¯
,
∞
/
m
{\displaystyle {\overline {\infty }},\ \infty /\mathrm {m} }
C
∞
h
{\displaystyle C_{\infty \mathrm {h} }}
∞
∗
{\displaystyle \infty ^{*}}
[
2
,
∞
+
]
{\displaystyle [2,\infty ^{+}]}
C
n
h
,
S
2
n
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} },\ S_{2n}}
Z
2
×
Z
∞
{\displaystyle Z_{2}\times Z_{\infty }}
Z
2
×
S
O
(
2
)
{\displaystyle Z_{2}\times SO(2)}
∞
m
{\displaystyle \infty \mathrm {m} }
C
∞
v
{\displaystyle C_{\infty \mathrm {v} }}
∗
∞
∞
{\displaystyle {}^{*}\infty \infty }
[
∞
]
{\displaystyle [\infty ]}
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
D
i
h
∞
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{\infty }}
O
(
2
)
{\displaystyle O(2)}
∞
2
{\displaystyle \infty 2}
D
∞
{\displaystyle D_{\infty }}
22
∞
{\displaystyle 22\infty }
[
2
,
∞
]
+
{\displaystyle [2,\infty ]^{+}}
D
n
{\displaystyle D_{n}}
D
i
h
∞
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{\infty }}
O
(
2
)
{\displaystyle O(2)}
∞
¯
m
,
∞
/
m
m
{\displaystyle {\overline {\infty }}\mathrm {m} ,\ \infty /\mathrm {mm} }
D
∞
h
{\displaystyle D_{\infty \mathrm {h} }}
∗
22
∞
{\displaystyle {}^{*}22\infty }
[
2
,
∞
]
{\displaystyle [2,\infty ]}
D
n
h
,
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} },\ D_{n\mathrm {d} }}
Z
2
×
D
i
h
∞
{\displaystyle Z_{2}\times \mathrm {Dih} _{\infty }}
Z
2
×
O
(
2
)
{\displaystyle Z_{2}\times O(2)}
七个其他点群
余下七个点群又称为高度对称或多面体 对称,因为有多于一条旋转轴的重数大于二。下表中,
C
n
{\displaystyle C_{n}}
表示一条
n
{\displaystyle n}
重轴,即旋转角为
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
,
S
n
{\displaystyle S_{n}}
则表示同样旋转角的瑕旋转轴。所用记号,首先是字母表示的熊夫利记号 ,然后括号内为轨形记号 ,然后为考克斯特记号 及图,最后是赫尔曼–莫甘记号 及倘有的简写。
T
,
(
332
)
{\displaystyle T,\ (332)}
[
3
,
3
]
+
{\displaystyle [3,3]^{+}}
( )
23
{\displaystyle 23}
阶为
12
{\displaystyle 12}
手性四面体对称
有四条
C
3
{\displaystyle C_{3}}
轴,是立方体 的四条体对角线,也可以看成正四面体 四个顶点分别到对面中心的连线。另有三条
C
2
{\displaystyle C_{2}}
轴,是立方体三组对面的中心连线,也是正四面体三组对边的中点连线。
T
{\displaystyle T}
同构 交错群
A
4
{\displaystyle A_{4}}
,即四个元素的偶排列的群。本群为正四面体的旋转群,也是
T
d
,
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {d} },\ T_{\mathrm {h} }}
及以下两种八面体对称群的正规子群 。本群的
12
{\displaystyle 12}
个元素,与赫维兹四元数 的
24
{\displaystyle 24}
个可逆元 ,有一对二的关系,而后者又称为二元四面体群 。
T
d
,
(
∗
332
)
{\displaystyle T_{\mathrm {d} },\ (^{*}332)}
[
3
,
3
]
{\displaystyle [3,3]}
( )
4
¯
3
m
{\displaystyle {\overline {4}}3\mathrm {m} }
阶为
24
{\displaystyle 24}
全四面体对称
本群与
T
{\displaystyle T}
有相同的旋转轴,但另有六块镜面,每块经过立方体的两条不在同一面的平行边,也是正四面体六条棱各自的垂直平分面。每块镜面包含一条
C
2
{\displaystyle C_{2}}
轴,两条
C
3
{\displaystyle C_{3}}
轴。原
C
2
{\displaystyle C_{2}}
轴,加入镜射后,变成
S
4
{\displaystyle S_{4}}
轴。本群是正四面体 的对称群。
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
同构于
4
{\displaystyle 4}
个元素的对称群
S
4
{\displaystyle S_{4}}
,因为
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
的元素,会将
4
{\displaystyle 4}
条
C
3
{\displaystyle C_{3}}
轴重新排列,而元素与此四条轴的排列一一对应。若一件物体绕其中一条三重轴,有
C
3
v
{\displaystyle C_{3\mathrm {v} }}
对称,则在
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
作用下,轨道 有四件同样的物体,
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
就对应此四件物体的排列的集合。
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
是
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
的正规子群。
T
h
,
(
3
∗
2
)
{\displaystyle T_{\mathrm {h} },\ (3^{*}2)}
[
3
+
,
4
]
{\displaystyle [3^{+},4]}
( )
2
/
m
3
¯
,
m
3
¯
{\displaystyle 2/\mathrm {m} {\overline {3}},\ \mathrm {m} {\overline {3}}}
阶为
24
{\displaystyle 24}
五角十二面体 对称
排球 的缝线有
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
。(立方五角十二面体 ) 本群与
T
{\displaystyle T}
的旋转轴相同,另有与立方体的面平行的镜面。四条
C
3
{\displaystyle C_{3}}
轴变成
S
6
{\displaystyle S_{6}}
轴,并有关于中心的反演对称。
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
同构于
A
4
×
Z
2
{\displaystyle A_{4}\times Z_{2}}
(因为
T
{\displaystyle T}
与
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
皆是正规子群),而与对称群
S
4
{\displaystyle S_{4}}
不同构。若在立方体的每个面上,各画一条线段,将该面分成两个全等的长方形,且使得新增的线段不会相交于棱上,则所得的图形的对称群为
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
。该些对称是:立面体四条体对角线的偶排列 ,及该等偶排列与中心反演的复合。本群亦是五角十二面体 的对称群。五角十二面体与前述的(面经分割的)立方体类似,但其中每个长方形换成有四边等长,具一条对称轴的五角形,而五角形余下一条不同长度的边,对应立方体的面上新增的线段。换言之,可以想像立方体的面在分割线隆起,并在该处变窄(即分割线变短)。本群为全二十面体对称群的子群(但不正规),且是作为等距变换群的子群,而不仅是抽象子群。全二十面体对称群有十条三重轴,而本群有其中四条。本群亦为
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
的正规子群。虽然记作
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
,本群并非任何四面体(英语:T etrahedron )的对称群。
O
,
(
432
)
{\displaystyle O,\ (432)}
[
4
,
3
]
+
{\displaystyle [4,3]^{+}}
( )
432
{\displaystyle 432}
阶为
24
{\displaystyle 24}
手性八面体对称
本群与
T
{\displaystyle T}
类似,但各
C
2
{\displaystyle C_{2}}
轴现改成
C
4
{\displaystyle C_{4}}
轴,并有额外六条
C
2
{\displaystyle C_{2}}
轴,是过正方体中心与(六对)棱中点的直线。本群与
S
4
{\displaystyle S_{4}}
同构,因为其元素与四条三重轴的
24
{\displaystyle 24}
个排列一一对应,与
T
{\displaystyle T}
类似。若物体绕某条三重轴有
D
3
{\displaystyle D_{3}}
对称,则在
O
{\displaystyle O}
作用下,轨道 有四件同样的物体,而
O
{\displaystyle O}
的元素也一一对应此四件物体的排列。本群是立方体 与正八面体 的旋转群。若用四元数 表示旋转,则
O
{\displaystyle O}
对应
24
{\displaystyle 24}
个赫维兹四元数 的可逆元 及范数平方为
2
{\displaystyle 2}
的
24
{\displaystyle 24}
个利普希茨四元数 ,各除以
2
{\displaystyle {\sqrt {2}}}
。与
T
{\displaystyle T}
类似,此为一对二的关系。
O
h
,
(
∗
432
)
{\displaystyle O_{\mathrm {h} },\ (^{*}432)}
[
4
,
3
]
{\displaystyle [4,3]}
( )
4
/
m
3
¯
2
/
m
,
m
3
¯
m
{\displaystyle 4/\mathrm {m} {\overline {3}}2/\mathrm {m} ,\ \mathrm {m} {\overline {3}}\mathrm {m} }
阶为
48
{\displaystyle 48}
全八面体对称
本群与
O
{\displaystyle O}
有同样的旋转轴,但也有镜射,有齐
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
与
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
的所有镜面。本群同构于
S
4
×
Z
2
{\displaystyle S_{4}\times Z_{2}}
(因为
O
{\displaystyle O}
与
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
皆为正规子群),且是立方体 与正八面体 的对称群。见八面体对称 。
I
,
(
532
)
{\displaystyle I,(532)}
[
5
,
3
]
+
{\displaystyle [5,3]^{+}}
( )
532
{\displaystyle 532}
阶为
60
{\displaystyle 60}
手性二十面体对称
本群为正二十面体 与正十二面体 的旋转群,亦是全正二十面体对称群
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
的指标
2
{\displaystyle 2}
正规子群 。本群的子群中,有十个
D
3
{\displaystyle D_{3}}
与六个
D
5
{\displaystyle D_{5}}
(即棱柱或反棱柱的旋转群)。本群也包含五个
T
{\displaystyle T}
子群(见五复合正四面体 )。抽象而言,
I
{\displaystyle I}
同构 于
5
{\displaystyle 5}
次交错群
A
5
{\displaystyle A_{5}}
,因为其元素作用在五个
T
{\displaystyle T}
子群上,与其偶排列一一对应。等价地,可以考虑
I
{\displaystyle I}
对前述五复合正四面体的五个单体的作用。以四元数 表示旋转,则
I
{\displaystyle I}
对应
120
{\displaystyle 120}
个二十数 可逆元 。与先前一样,此为一对二的关系。
I
h
,
(
∗
532
)
{\displaystyle I_{\mathrm {h} },\ (^{*}532)}
[
5
,
3
]
{\displaystyle [5,3]}
( )
53
¯
2
/
m
,
53
¯
m
{\displaystyle {\overline {53}}2/\mathrm {m} ,\ {\overline {53}}\mathrm {m} }
阶为
120
{\displaystyle 120}
全二十面体对称
本群为正二十面体与正十二面体的对称群。
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
与抽象群
A
5
×
Z
2
{\displaystyle A_{5}\times Z_{2}}
同构,因为
I
{\displaystyle I}
与
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
皆是正规子群。本群的子群中,有十个
D
3
d
{\displaystyle D_{3\mathrm {d} }}
、六个
D
5
d
{\displaystyle D_{5\mathrm {d} }}
(反棱柱的对称)、五个
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
。
相关的连续群有:
旋转群
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
,即所有旋转的群,亦记作
∞
∞
{\displaystyle \infty \infty }
或
K
{\displaystyle K}
。
正交群
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
,所有旋转和镜射生成的群,亦记作
∞
∞
m
{\displaystyle \infty \infty \mathrm {m} }
或
K
h
{\displaystyle K_{\mathrm {h} }}
。
如无穷等距变换群 一节所言,任何物理实体,若有
K
{\displaystyle K}
对称性,则必有
K
h
{\displaystyle K_{\mathrm {h} }}
对称性。
轨形记号与阶
若已知群的轨形记号,则可计算其阶数,等于
2
{\displaystyle 2}
除以轨形 的欧拉示性数 。轨形的欧拉示性数是将
2
{\displaystyle 2}
减去轨形记号中,各符号特征数的总和:
无
∗
{\displaystyle {}^{*}}
或在
∗
{\displaystyle {}^{*}}
之前的
n
{\displaystyle n}
,值为
(
n
−
1
)
/
n
{\displaystyle (n-1)/n}
;
在
∗
{\displaystyle {}^{*}}
之后的
n
{\displaystyle n}
,值为
(
n
−
1
)
/
(
2
n
)
{\displaystyle (n-1)/(2n)}
;
∗
{\displaystyle {}^{*}}
与
×
{\displaystyle \times }
计为
1
{\displaystyle 1}
。
此公式同样适用于壁纸群 与带群 :对该等群,特征数之和为
2
{\displaystyle 2}
,所以阶数是无穷大。亦见壁纸群 条目。
反射考克斯特群
三维考克斯特群的基本域
A
3
,
[
3
,
3
]
,
{\displaystyle A_{3},\ [3,3],}
B
3
,
[
4
,
3
]
,
{\displaystyle B_{3},\ [4,3],}
H
3
,
[
5
,
3
]
,
{\displaystyle H_{3},\ [5,3],}
6
{\displaystyle 6}
块镜
3
+
6
{\displaystyle 3+6}
块镜
15
{\displaystyle 15}
块镜
2
A
1
,
[
1
,
2
]
,
{\displaystyle 2A_{1},\ [1,2],}
3
A
1
,
[
2
,
2
]
,
{\displaystyle 3A_{1},\ [2,2],}
A
1
A
2
,
[
2
,
3
]
,
{\displaystyle A_{1}A_{2},\ [2,3],}
2
{\displaystyle 2}
块镜
3
{\displaystyle 3}
块镜
4
{\displaystyle 4}
块镜
A
1
,
[
1
]
,
{\displaystyle A_{1},\ [1],}
2
A
1
,
[
2
]
,
{\displaystyle 2A_{1},\ [2],}
A
2
,
[
3
]
,
{\displaystyle A_{2},\ [3],}
1
{\displaystyle 1}
块镜
2
{\displaystyle 2}
块镜
3
{\displaystyle 3}
块镜
三维反射点群又称为考克斯特群 ,能以考克斯特-邓肯图 表示,是交于同一个中心点的若干镜面反射生成的群。该些镜面将球面分割成球面三角形 区域。若考克斯特群能以少于三个镜射生成,则该球面三角形退化,变成球面二角形 或半球面 。在考克斯特记号 ,该些群是正四面体对称
[
3
,
3
]
{\displaystyle [3,3]}
、正八面体对称
[
4
,
3
]
{\displaystyle [4,3]}
、正二十面体对称
[
5
,
3
]
{\displaystyle [5,3]}
、二面体对称
[
p
,
2
]
{\displaystyle [p,2]}
。不可约群的镜面数是
n
h
/
2
{\displaystyle nh/2}
,其中
h
{\displaystyle h}
是群的考克斯特数 ,而
n
{\displaystyle n}
是反射方向的秩(维数),等于符号的下标。[ 5]
熊夫利记号
考克斯特- 邓肯图标签
考克斯特记号
群阶
考克斯特数 (
h
{\displaystyle h}
)
镜数 (
m
{\displaystyle m}
)
多面体群
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
A
3
{\displaystyle A_{3}}
[
3
,
3
]
{\displaystyle [3,3]}
24
{\displaystyle 24}
4
{\displaystyle 4}
6
{\displaystyle 6}
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
B
3
{\displaystyle B_{3}}
[
4
,
3
]
{\displaystyle [4,3]}
48
{\displaystyle 48}
6
{\displaystyle 6}
3
+
6
{\displaystyle 3+6}
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
H
3
{\displaystyle H_{3}}
[
5
,
3
]
{\displaystyle [5,3]}
120
{\displaystyle 120}
10
{\displaystyle 10}
15
{\displaystyle 15}
二面体群
D
1
h
{\displaystyle D_{1\mathrm {h} }}
2
A
1
{\displaystyle 2A_{1}}
[
1
,
2
]
{\displaystyle [1,2]}
4
{\displaystyle 4}
1
+
1
{\displaystyle 1+1}
D
2
h
{\displaystyle D_{2\mathrm {h} }}
3
A
1
{\displaystyle 3A_{1}}
[
2
,
2
]
{\displaystyle [2,2]}
8
{\displaystyle 8}
2
+
1
{\displaystyle 2+1}
D
p
h
{\displaystyle D_{p\mathrm {h} }}
I
2
(
p
)
A
1
{\displaystyle I_{2}(p)A_{1}}
[
p
,
2
]
{\displaystyle [p,2]}
4
p
{\displaystyle 4p}
p
+
1
{\displaystyle p+1}
循环群
C
2
v
{\displaystyle C_{2\mathrm {v} }}
2
A
1
{\displaystyle 2A_{1}}
[
2
]
{\displaystyle [2]}
4
{\displaystyle 4}
2
{\displaystyle 2}
C
p
v
{\displaystyle C_{p\mathrm {v} }}
I
2
(
p
)
{\displaystyle I_{2}(p)}
[
p
]
{\displaystyle [p]}
2
p
{\displaystyle 2p}
p
{\displaystyle p}
p
{\displaystyle p}
单镜面
C
1
v
{\displaystyle C_{1\mathrm {v} }}
A
1
{\displaystyle A_{1}}
[
]
{\displaystyle [\ ]}
2
{\displaystyle 2}
1
{\displaystyle 1}
旋转群
有限旋转群,即
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
的有限子群,仅有:循环群
C
n
{\displaystyle C_{n}}
(正棱锥 的旋转群)、二面体群
D
n
{\displaystyle D_{n}}
(正棱柱 或双锥体 的旋转群)、
T
{\displaystyle T}
(正四面体 的旋转群)、
O
{\displaystyle O}
(正八面体 或正六面体 的旋转群)、
I
{\displaystyle I}
(正二十面体 或正十二面体 的旋转群)。
特别地,二面体群
D
3
{\displaystyle D_{3}}
、
D
4
{\displaystyle D_{4}}
等,是平面正多边形嵌入到三维空间后的旋转群。此种薄片也可以视为退化的正棱柱,或称为二面体 ,二面体群因而得名。
若物体的对称类为
C
n
,
C
n
h
,
C
n
v
,
S
2
n
{\displaystyle C_{n},\ C_{n\mathrm {h} },\ C_{n\mathrm {v} },\ S_{2n}}
,则旋转群为
C
n
{\displaystyle C_{n}}
。
若物体的对称类为
D
n
,
D
n
h
,
D
n
d
{\displaystyle D_{n},\ D_{n\mathrm {h} },\ D_{n\mathrm {d} }}
,则旋转群为
D
n
{\displaystyle D_{n}}
。
若物体的对称类属其他七种多面体对称,则旋转群是相应无下标的群,即
T
,
O
,
I
{\displaystyle T,\ O,\ I}
之一。
当且仅当物体有手性 时,其旋转群等于整个对称群。换言之,手性物体就是对称群在旋转群列表中的物体。
用熊夫利记号 、考克斯特记号 ,及括号内的轨形记号 表示,旋转群是:
反射
反射/旋转
瑕旋转
旋转
C
n
v
,
[
n
]
,
(
∗
n
n
)
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} },\ [n],\ (^{*}nn)}
C
n
h
,
[
n
+
,
2
]
,
(
n
∗
)
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} },\ [n^{+},2],\ (n^{*})}
S
2
n
,
[
2
n
+
,
2
+
]
,
(
n
×
)
{\displaystyle S_{2n},\ [2n^{+},2^{+}],\ (n\times )}
C
n
,
[
n
]
+
,
(
n
n
)
{\displaystyle C_{n},\ [n]^{+},\ (nn)}
D
n
h
,
[
2
,
n
]
,
(
∗
n
22
)
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} },\ [2,n],\ (^{*}n22)}
D
n
d
,
[
2
+
,
2
n
]
,
(
2
∗
n
)
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} },\ [2^{+},2n],\ (2^{*}n)}
D
n
,
[
2
,
n
]
+
,
(
n
22
)
{\displaystyle D_{n},\ [2,n]^{+},(n22)}
T
d
,
[
3
,
3
]
,
(
∗
332
)
{\displaystyle T_{\mathrm {d} },\ [3,3],\ (^{*}332)}
T
,
[
3
,
3
]
+
,
(
332
)
{\displaystyle T,\ [3,3]^{+},\ (332)}
O
h
,
[
4
,
3
]
,
(
∗
432
)
{\displaystyle O_{\mathrm {h} },\ [4,3],\ (^{*}432)}
T
h
,
[
3
+
,
4
]
,
(
3
∗
2
)
{\displaystyle T_{\mathrm {h} },\ [3^{+},4],\ (3^{*}2)}
O
,
[
4
,
3
]
+
,
(
432
)
{\displaystyle O,\ [4,3]^{+},\ (432)}
I
h
,
[
5
,
3
]
,
(
∗
532
)
{\displaystyle I_{\mathrm {h} },\ [5,3],\ (^{*}532)}
I
,
[
5
,
3
]
+
,
(
532
)
{\displaystyle I,\ [5,3]^{+},\ (532)}
旋转群与其他群的对应
下列群有点反演 :
n
{\displaystyle n}
为偶数时,
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
及
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
、
n
{\displaystyle n}
为奇数时,
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
及
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
(特别地,
S
2
=
C
i
{\displaystyle S_{2}=C_{\mathrm {i} }}
是仅由点反演生成的群,另有
D
1
d
=
C
2
h
{\displaystyle D_{1\mathrm {d} }=C_{2\mathrm {h} }}
属于前项)、
T
h
,
O
h
,
I
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} },\ O_{\mathrm {h} },\ I_{\mathrm {h} }}
。
如上文 所述,此种群与所有旋转群之间,有一一对应:
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
(
n
{\displaystyle n}
为偶)及
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
(
n
{\displaystyle n}
为奇)对应
C
n
{\displaystyle C_{n}}
。
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
(
n
{\displaystyle n}
为偶)及
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
(
n
{\displaystyle n}
为奇)对应
D
n
{\displaystyle D_{n}}
。
T
h
,
O
h
,
I
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} },\ O_{\mathrm {h} },\ I_{\mathrm {h} }}
分别对应
T
,
O
,
I
{\displaystyle T,O,I}
。
下列群具有间接(不保定向)的等距变换,但无点反演:
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
、
n
{\displaystyle n}
为奇数时,
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
及
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
、
n
{\displaystyle n}
为偶数时,
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
及
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
、
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
。
上述各群分别对应一个旋转群
H
{\displaystyle H}
及其指标
2
{\displaystyle 2}
的子群
L
{\displaystyle L}
,使得该群是由
H
{\displaystyle H}
的元素,加上
H
∖
L
{\displaystyle H\setminus L}
经点反演后的元素得到,如上文 所述:
C
n
{\displaystyle C_{n}}
是
D
n
{\displaystyle D_{n}}
的指标
2
{\displaystyle 2}
子群,对应
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
。
C
n
{\displaystyle C_{n}}
是
C
2
n
{\displaystyle C_{2n}}
的指标
2
{\displaystyle 2}
子群,
n
{\displaystyle n}
为奇时对应
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
,
n
{\displaystyle n}
为偶时则对应
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
。
D
n
{\displaystyle D_{n}}
是
D
2
n
{\displaystyle D_{2n}}
的指标
2
{\displaystyle 2}
子群,
n
{\displaystyle n}
为奇时对应
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
,
n
{\displaystyle n}
为偶时对应
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
。
T
{\displaystyle T}
是
O
{\displaystyle O}
的指标
2
{\displaystyle 2}
子群,对应
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
。
极大对称群
离散点群中,
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
和
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
并非任何其他离散点群的真子群,故谓极大 。其公共子群中,最大的是
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
。由此,可以将二重旋转对称改成四重而得
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
,亦可加入五重旋转对称而得
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
。
类似地,有两个晶体学点群并非任何其他晶体学点体的真子群:
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
与
D
6
h
{\displaystyle D_{6\mathrm {h} }}
。视乎方向,其极大公共子群为
D
3
d
{\displaystyle D_{3\mathrm {d} }}
或
D
2
h
{\displaystyle D_{2\mathrm {h} }}
。
按抽象群同构分类
下列若干个表,将前述诸群,按抽象群同构分类。
最小几个不能表示成三维对称群的抽象群为:
8
{\displaystyle 8}
阶的四元群 、
9
{\displaystyle 9}
阶的
Z
3
×
Z
3
{\displaystyle Z_{3}\times Z_{3}}
、
12
{\displaystyle 12}
阶的双循环群
D
i
c
3
{\displaystyle \mathrm {Dic} _{3}}
,以及十四个
16
{\displaystyle 16}
阶群的其中十个。
下表中,“
2
{\displaystyle 2}
阶元素数”一列,数算
C
2
,
C
i
,
C
s
{\displaystyle C_{2},C_{\mathrm {i} },C_{\mathrm {s} }}
三类等距变换子群的总数,是有助分辨抽象群类型的特征数,而该总数之内,各类等距变换子群的数目,则有助辨别属同一类抽象群的不同等距变换群。
循环群
n
{\displaystyle n}
重旋转对称 的对称群 为
C
n
{\displaystyle C_{n}}
。其抽象同构类是循环群
Z
n
{\displaystyle Z_{n}}
,亦可记作
C
n
{\displaystyle C_{n}}
。然而,另有两列对称群同构于循环群:
对于偶阶数
2
n
{\displaystyle 2n}
,瑕旋转 群
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
(熊夫利记号),生成元为绕某轴
180
∘
/
n
{\displaystyle 180^{\circ }/n}
的旋转后关于与轴垂直的镜面反射。
S
2
{\displaystyle S_{2}}
也记为
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
,由点反演生成。
对于奇数
n
{\displaystyle n}
,有阶数
2
n
{\displaystyle 2n}
的群
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
。该群有一条
n
{\displaystyle n}
重旋转轴,另有与该轴垂直的镜射。换言之,群由两种变换生成,即绕轴
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
的旋转,及该镜射。
C
1
h
{\displaystyle C_{1\mathrm {h} }}
又可记作
C
s
{\displaystyle C_{\mathrm {s} }}
,仅由一个镜射生成。
故可总结出下表:(十个循环晶体学点群以粗体标出,其满足晶体学限制 。)
阶数
等距变换群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
阶元素数
环图
1
{\displaystyle 1}
C
1
{\displaystyle {\boldsymbol {C_{1}}}}
Z
1
{\displaystyle Z_{1}}
0
{\displaystyle 0}
2
{\displaystyle 2}
C
2
,
C
i
,
C
s
{\displaystyle {\boldsymbol {C_{2},C_{\mathrm {i} },C_{\mathrm {s} }}}}
Z
2
{\displaystyle Z_{2}}
1
{\displaystyle 1}
3
{\displaystyle 3}
C
3
{\displaystyle {\boldsymbol {C_{3}}}}
Z
3
{\displaystyle Z_{3}}
0
{\displaystyle 0}
4
{\displaystyle 4}
C
4
,
S
4
{\displaystyle {\boldsymbol {C_{4},S_{4}}}}
Z
4
{\displaystyle Z_{4}}
1
{\displaystyle 1}
5
{\displaystyle 5}
C
5
{\displaystyle C_{5}}
Z
5
{\displaystyle Z_{5}}
0
{\displaystyle 0}
6
{\displaystyle 6}
C
6
,
S
6
,
C
3
h
{\displaystyle {\boldsymbol {C_{6},S_{6},C_{3\mathrm {h} }}}}
Z
6
≅
Z
3
×
Z
2
{\displaystyle Z_{6}\cong Z_{3}\times Z_{2}}
1
{\displaystyle 1}
7
{\displaystyle 7}
C
7
{\displaystyle C_{7}}
Z
7
{\displaystyle Z_{7}}
0
{\displaystyle 0}
8
{\displaystyle 8}
C
8
,
S
8
{\displaystyle C_{8},S_{8}}
Z
8
{\displaystyle Z_{8}}
1
{\displaystyle 1}
9
{\displaystyle 9}
C
9
{\displaystyle C_{9}}
Z
9
{\displaystyle Z_{9}}
0
{\displaystyle 0}
10
{\displaystyle 10}
C
10
,
S
10
,
C
5
h
{\displaystyle C_{10},S_{10},C_{5\mathrm {h} }}
Z
10
≅
Z
5
×
Z
2
{\displaystyle Z_{10}\cong Z_{5}\times Z_{2}}
1
{\displaystyle 1}
⋮
{\displaystyle \vdots }
二面群
二维二面体群
D
n
{\displaystyle D_{n}}
有旋转和反射,但二维反射亦可视为在三维空间中,将不区分正反面的薄片翻转。
然而在三维,反射与翻转须作区分。以
D
n
{\displaystyle D_{n}}
表示的对称群,有
n
{\displaystyle n}
条二重轴,与
n
{\displaystyle n}
重的主旋转轴垂直,但无反射。
D
n
{\displaystyle D_{n}}
是正
n
{\displaystyle n}
棱柱 、正双
n
{\displaystyle n}
角锥 、正
n
{\displaystyle n}
角反棱柱 、
n
{\displaystyle n}
方偏方面体 的旋转群 。若略作改动,如在每面加上相同的手性 标记,或稍为改变形状,则可以使物体具有手性,从而令
D
n
{\displaystyle D_{n}}
为其全对称群。
相应的抽象群类型是二面体群
D
i
h
n
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{n}}
,亦可照样记为
D
n
{\displaystyle D_{n}}
。但除
D
n
{\displaystyle D_{n}}
外,还有三个无穷序列的对称群,同构于二面体群:
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
,阶为
2
n
{\displaystyle 2n}
,是正
n
{\displaystyle n}
棱锥 的对称群;
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
,阶为
4
n
{\displaystyle 4n}
,是正
n
{\displaystyle n}
角反棱柱 的对称群;
对应奇数
n
{\displaystyle n}
的群
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
,其阶为
4
n
{\displaystyle 4n}
。当
n
=
1
{\displaystyle n=1}
时,等同
D
2
{\displaystyle D_{2}}
,已于上文讨论,故此处可取
n
≥
3
{\displaystyle n\geq 3}
。
注意有以下同构:
D
i
h
4
n
+
2
≅
D
i
h
2
n
+
1
×
Z
2
.
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{4n+2}\cong \mathrm {Dih} _{2n+1}\times Z_{2}.}
于是可以整理出下表:(有
12
{\displaystyle 12}
个晶体学点群用粗体标示,另
D
1
d
{\displaystyle D_{1\mathrm {d} }}
写成等价的
C
2
h
{\displaystyle C_{2\mathrm {h} }}
)
阶数
等距变换群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
阶元素数
环图
4
{\displaystyle 4}
D
2
,
C
2
v
,
C
2
h
{\displaystyle {\boldsymbol {D_{2},C_{2\mathrm {v} },C_{2\mathrm {h} }}}}
D
i
h
2
≅
Z
2
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{2}\cong Z_{2}\times Z_{2}}
3
{\displaystyle 3}
6
{\displaystyle 6}
D
3
,
C
3
v
{\displaystyle {\boldsymbol {D_{3},C_{3\mathrm {v} }}}}
D
i
h
3
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{3}}
3
{\displaystyle 3}
8
{\displaystyle 8}
D
4
,
C
4
v
,
D
2
d
{\displaystyle {\boldsymbol {D_{4},C_{4\mathrm {v} },D_{2\mathrm {d} }}}}
D
i
h
4
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{4}}
5
{\displaystyle 5}
10
{\displaystyle 10}
D
5
,
C
5
v
{\displaystyle D_{5},C_{5\mathrm {v} }}
D
i
h
5
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{5}}
5
{\displaystyle 5}
12
{\displaystyle 12}
D
6
,
C
6
v
,
D
3
d
,
D
3
h
{\displaystyle {\boldsymbol {D_{6},C_{6\mathrm {v} },D_{3\mathrm {d} },D_{3\mathrm {h} }}}}
D
i
h
6
≅
D
i
h
3
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{6}\cong \mathrm {Dih} _{3}\times Z_{2}}
7
{\displaystyle 7}
14
{\displaystyle 14}
D
7
,
C
7
v
{\displaystyle D_{7},C_{7\mathrm {v} }}
D
i
h
7
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{7}}
7
{\displaystyle 7}
16
{\displaystyle 16}
D
8
,
C
8
v
,
D
4
d
{\displaystyle D_{8},C_{8\mathrm {v} },D_{4\mathrm {d} }}
D
i
h
8
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{8}}
9
{\displaystyle 9}
18
{\displaystyle 18}
D
9
,
C
9
v
{\displaystyle D_{9},C_{9\mathrm {v} }}
D
i
h
9
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{9}}
9
{\displaystyle 9}
20
{\displaystyle 20}
D
10
,
C
10
v
,
D
5
h
,
D
5
d
{\displaystyle D_{10},C_{10\mathrm {v} },D_{5\mathrm {h} },D_{5\mathrm {d} }}
D
i
h
10
≅
D
i
h
5
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{10}\cong \mathrm {Dih} _{5}\times Z_{2}}
11
{\displaystyle 11}
⋮
{\displaystyle \vdots }
其他
C
2
n
h
{\displaystyle C_{2n\mathrm {h} }}
的阶数为
4
n
{\displaystyle 4n}
,同构于抽象群
Z
2
n
×
Z
2
{\displaystyle Z_{2n}\times Z_{2}}
。在
n
=
1
{\displaystyle n=1}
时,
C
2
n
h
{\displaystyle C_{2n\mathrm {h} }}
等同
D
i
h
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{2}}
,已于上小节讨论,故本小节仅考虑
n
≥
2
{\displaystyle n\geq 2}
的情况。
此系列的群可以整理成下表:(其中两个晶体学点群以粗体强调)
阶数
等距变换群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
阶元素数
环图
8
{\displaystyle 8}
C
4
h
{\displaystyle {\boldsymbol {C_{4\mathrm {h} }}}}
Z
4
×
Z
2
{\displaystyle Z_{4}\times Z_{2}}
3
{\displaystyle 3}
12
{\displaystyle 12}
C
6
h
{\displaystyle {\boldsymbol {C_{6\mathrm {h} }}}}
Z
6
×
Z
2
≅
Z
3
×
Z
2
2
≅
Z
3
×
D
i
h
2
{\displaystyle Z_{6}\times Z_{2}\cong Z_{3}\times Z_{2}^{2}\cong Z_{3}\times \mathrm {Dih} _{2}}
3
{\displaystyle 3}
16
{\displaystyle 16}
C
8
h
{\displaystyle C_{8\mathrm {h} }}
Z
8
×
Z
2
{\displaystyle Z_{8}\times Z_{2}}
3
{\displaystyle 3}
20
{\displaystyle 20}
C
10
h
{\displaystyle C_{10\mathrm {h} }}
Z
10
×
Z
2
≅
Z
5
×
Z
2
2
≅
Z
5
×
D
i
h
2
{\displaystyle Z_{10}\times Z_{2}\cong Z_{5}\times Z_{2}^{2}\cong Z_{5}\times \mathrm {Dih} _{2}}
3
{\displaystyle 3}
⋮
{\displaystyle \vdots }
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
的阶数为
4
n
{\displaystyle 4n}
,同构于抽象群
D
i
h
n
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{n}\times Z_{2}}
。对于奇数
n
{\displaystyle n}
,已于上小节 讨论,故此处仅考虑阶数为
8
n
{\displaystyle 8n}
的群
D
2
n
h
{\displaystyle D_{2n\mathrm {h} }}
,其抽象群类别为
D
i
h
2
n
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{2n}\times Z_{2}}
。(
n
≥
1
{\displaystyle n\geq 1}
)
此系列的群可以整理成下表:(其中三个晶体学点群以粗体强调)
阶数
等距变换群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
阶元素数
环图
8
{\displaystyle 8}
D
2
h
{\displaystyle {\boldsymbol {D_{2\mathrm {h} }}}}
D
i
h
2
×
Z
2
≅
Z
2
3
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{2}\times Z_{2}\cong Z_{2}^{3}}
7
{\displaystyle 7}
16
{\displaystyle 16}
D
4
h
{\displaystyle {\boldsymbol {D_{4\mathrm {h} }}}}
D
i
h
4
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{4}\times Z_{2}}
11
{\displaystyle 11}
24
{\displaystyle 24}
D
6
h
{\displaystyle {\boldsymbol {D_{6\mathrm {h} }}}}
D
i
h
6
×
Z
2
≅
D
i
h
3
×
Z
2
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{6}\times Z_{2}\cong \mathrm {Dih} _{3}\times Z_{2}^{2}}
15
{\displaystyle 15}
32
{\displaystyle 32}
D
8
h
{\displaystyle D_{8\mathrm {h} }}
D
i
h
8
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{8}\times Z_{2}}
19
{\displaystyle 19}
⋮
{\displaystyle \vdots }
余下七个多面体群是:(其中五个晶体学点群以粗体强调)
阶数
等距变换群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
阶元素数
环图
12
{\displaystyle 12}
T
{\displaystyle {\boldsymbol {T}}}
A
4
{\displaystyle A_{4}}
3
{\displaystyle 3}
24
{\displaystyle 24}
T
d
,
O
{\displaystyle {\boldsymbol {T_{\mathrm {d} },O}}}
S
4
{\displaystyle \definecolor {linkblue}{rgb}{0.0235,0.2706,0.6784}\color {linkblue}{S_{4}}}
9
{\displaystyle 9}
24
{\displaystyle 24}
T
h
{\displaystyle {\boldsymbol {T_{\mathrm {h} }}}}
A
4
×
Z
2
{\displaystyle A_{4}\times Z_{2}}
7
{\displaystyle 7}
48
{\displaystyle 48}
O
h
{\displaystyle {\boldsymbol {O_{\mathrm {h} }}}}
S
4
×
Z
2
{\displaystyle S_{4}\times Z_{2}}
19
{\displaystyle 19}
60
{\displaystyle 60}
I
{\displaystyle I}
A
5
{\displaystyle A_{5}}
15
{\displaystyle 15}
120
{\displaystyle 120}
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
A
5
×
Z
2
{\displaystyle A_{5}\times Z_{2}}
31
{\displaystyle 31}
基本域
点群的基本域 是锥体 。若物体有给定的对称群,则指明物体的某一个基本域变换至哪个基本域,就足以确定该变换。另外,仅从该件物体在一个基本域内的形状,就足以确定整件物体的形状。若物体是曲面,则可由其被一个基本域截得的部分确定,该部分亦是(有边界的)曲面,下称“基本面”,延伸至基本域的径向边界面(即锥体的侧面)。但是,若基本面与其他基本面(即基本面在其他基本域的复制),两者的边界未能贴合,则需要添加径向的面或其他曲面,以使各基本面连接成一个整体。若基本面以反射面为界,则必然贴合。
基本面可以取为任意平面被基本域所截的部分,如此得到一个多面体,具有给定的对称群,如四角化菱形三十面体 的每一个面,即为全二十面体对称 的一个基本面。若调整该面的方向,则有时可以使相邻的若干个基本面共面,而合并成同一个面,得到具同样对称群的其他多面体,如正十二面体 和正二十面体 。若基本面的边界能够贴合,且基本面的法向量 是在基本域内,则所得的多面体为凸多面体。
基本面也可以取为其他形状,不必在同一平面内,例如可取为若干个不同平面的区域连接而成的曲面。
二元多面体群
考虑三维旋量群
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
到旋转群
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
的二重覆叠投映 。由于
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
已是单连通 ,故为
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
仅有的非平凡连通覆叠。
由子群的对应 ,
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
与
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
的子群(即旋转点群)之间有伽罗瓦连接 :
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
子群投映到
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
,必为旋转子群,而反之,旋转子群的原像 亦必为是
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
的子群。注意
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
可以等价描述成特殊酉群
S
U
(
2
)
{\displaystyle SU(2)}
,或是单位四元数群 ,亦属李群 ,拓扑上同胚 于三维球面
S
3
{\displaystyle S^{3}}
。
有限点群的原像称为二元多面体群 ,记作
⟨
l
,
n
,
m
⟩
{\displaystyle \langle l,n,m\rangle }
,与多面体群
(
l
,
m
,
n
)
{\displaystyle (l,m,n)}
对应,而名称则是相应点群的名称加上“二元”前缀,阶数为点群阶数的两倍。例如,二十面体群
(
2
,
3
,
5
)
{\displaystyle (2,3,5)}
的原像,便是二元二十面体群
⟨
2
,
3
,
5
⟩
{\displaystyle \langle 2,3,5\rangle }
。
二元多面体群为:
A
n
{\displaystyle A_{n}}
: 正
n
{\displaystyle n}
边形的二元循环群 ,阶数
2
n
{\displaystyle 2n}
。
D
n
{\displaystyle D_{n}}
: 正
n
{\displaystyle n}
边形的二元二面体群
⟨
2
,
2
,
n
⟩
{\displaystyle \langle 2,2,n\rangle }
,阶数
4
n
{\displaystyle 4n}
。
E
6
{\displaystyle E_{6}}
: 二元四面体群
⟨
2
,
3
,
3
⟩
{\displaystyle \langle 2,3,3\rangle }
,阶数
24
{\displaystyle 24}
。
E
7
{\displaystyle E_{7}}
: 二元八面体群
⟨
2
,
3
,
4
⟩
{\displaystyle \langle 2,3,4\rangle }
,阶数
48
{\displaystyle 48}
。
E
8
{\displaystyle E_{8}}
: 二元二十面体群
⟨
2
,
3
,
5
⟩
{\displaystyle \langle 2,3,5\rangle }
,阶数
120
{\displaystyle 120}
。
该些群能按ADE分类 ,而
C
2
{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}}
在二元多面体群作用下的商空间 ,是杜瓦尔奇点 。[ 6]
对于不保定向的点群,情况较复杂,因为有两个Pin群 ,所以对应给定的点群,有两个可能的二元群。
注意前述“覆叠”仅是群的覆叠,而不是多面体空间的覆叠:球面本身单连通 ,并无非平凡覆叠 。所以,并无所谓“二元多面体”覆叠原有的多面体。二元多面体群是旋量群的离散子群,所以若选定旋量群的表示 ,作用于一个向量空间,则该二元多面体群在该表示下,可能将某个多面体映到自身,例如在
S
p
i
n
(
3
)
→
S
O
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)\to SO(3)}
映射下,二元多面体群作用为旋转,与底下的(非二元)群是同一个多面体的等距变换,然而,在旋量表示 或其他表示下,二元多面体群可以作用在不同的多面体上。
二元多面体群不是射影多面体 的对称群。球面确实覆叠射影空间 (以及透镜空间 ),故可以考虑射影空间的密铺,视之为另一种“多面体”,即射影多面体,但是,考虑二元多面体群时,并非取多面体所覆叠的空间,而是取覆叠对称群的群,所以两件事不相同。
参见
参考文献
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^ Shubnikov, A.V. On the Works of Pierre Curie on Symmetry [论皮埃尔·居里的对称性研究]. Crystal Symmetries: Shubnikov Centennial papers [晶体对称:舒勃尼科夫百年纪念论文集]. Pergamon Press. 1988: 357–364. ISBN 0-08-037014-4 . doi:10.1016/B978-0-08-037014-9.50007-8 (英语) .
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Coxeter, H. S. M. 7 The Binary Polyhedral Groups [第7章:二元多面体群]. Regular Complex Polytopes [正复多胞形]. Cambridge University Press. 1974: 73–82 (英语) .
Coxeter, H. S. M.; Moser, W. O. J. 6.5 The binary polyhedral groups [第6.5节:二元多面体群]. Generators and Relations for Discrete Groups [离散群的生成元与关系] 4th edition. New York: Springer-Verlag. 1980: 68. ISBN 0-387-09212-9 (英语) .
Conway, John Horton ; Huson, Daniel H. The Orbifold Notation for Two-Dimensional Groups [二维群的轨形记号]. Structural Chemistry (Springer Netherlands). 2002, 13 (3): 247–257. S2CID 33947139 . doi:10.1023/A:1015851621002 (英语) .
外部链接