幾何學 中,三維點群 是三維空間中,任何一個固定原點的對稱群 。等價的說法是,其為球面 的對稱群。此類群皆為正交群
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的子群 ,即固定原點的全體等距同構 組成的群 ,亦可視為全體正交矩陣 的乘法群。
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
本身則是全體等距同構的歐氏群
E
(
3
)
{\displaystyle E(3)}
的子群。
立體的對稱群 必由等距同構組成,反之,要分析等距對稱構成的群,就是分析所有可能的對稱 。有界三維立體的全體等距同構,必存在共同的不動點,不妨設其中之一為原點。
立體的對稱群,有時稱為全體對稱群 作強調,用以突顯與旋轉群 (或真對稱群 )的分別。立體的旋轉群是其全體對稱群與三維空間本身的旋轉群
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
之交。立體的旋轉群等於全體對稱群,當且僅當 立體具手性 。
三維點群在化學 廣泛用於描述分子 的對稱,及組成共價鍵 的分子軌域 的對稱。此背景下,也稱分子對稱群 。
有限考克斯特群 是一族特殊的點群,僅由過原點的若干個鏡射生成。
n
{\displaystyle n}
階考克斯特群是由
n
{\displaystyle n}
個鏡射生成,可以考克斯特-丹金圖 表示。考克斯特符號 則改為用方括號和數字描述,並設有其他標記,用以表示旋轉群或其他子群。
群結構
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
是直接歐氏群
E
+
(
3
)
{\displaystyle E^{+}(3)}
的子群,其元素皆是直接 等距同構,即保持定向 的等距變換。
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
僅含保持原點不變的直接等距同構。
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
則是
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
與點反演 生成的群
{
I
,
−
I
}
{\displaystyle \{I,-I\}}
的直積 :(此處點反演以其矩陣
−
I
{\displaystyle -I}
表示,即單位矩陣
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,三維空間中,藉點反演,可以得到直接與間接等距變換之間的一一對應 ,此外,
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
中僅由直接等距變換組成的子群
H
{\displaystyle H}
(必包含在
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
中,亦與
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
中含有點反演的子群
K
{\displaystyle K}
一一對應。對應關係如下:
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}
為
C
2
{\displaystyle C_{2}}
,則
K
{\displaystyle K}
為
C
2
h
{\displaystyle C_{\mathrm {2h} }}
;若
H
{\displaystyle H}
為
C
3
{\displaystyle C_{3}}
,則
K
{\displaystyle K}
為
S
6
{\displaystyle S_{6}}
。(定義載於下文。)
若直接等距同構群
H
{\displaystyle H}
有指數 為
2
{\displaystyle 2}
的子群
L
{\displaystyle L}
,則除以上含點反演的子群外,還有另一個對應的子群
M
=
L
∪
(
(
H
∖
L
)
×
{
−
I
}
)
,
{\displaystyle M=L\cup \left((H\setminus L)\times \{-I\}\right),}
含有間接等距變換,但不含點反演。式中
(
A
,
I
)
{\displaystyle (A,I)}
與
A
{\displaystyle A}
視為等同。舉例
H
{\displaystyle H}
為
C
4
{\displaystyle C_{4}}
,而
M
{\displaystyle M}
為
S
4
{\displaystyle S_{4}}
。
換言之,
M
{\displaystyle M}
是將
H
∖
L
{\displaystyle H\setminus L}
中的變換,乘上
−
I
{\displaystyle -I}
得到。此群
M
{\displaystyle M}
作為抽象群與
H
{\displaystyle H}
同構。反之,任意對稱群,若有間接等距變換,但無點反演,則可以將所有間接變換反演,而變成旋轉群。等距群的分類(見下文)中,可以用此性質化簡問題。
二維情況下,
k
{\displaystyle k}
重旋轉 的循環群
C
k
{\displaystyle C_{k}}
皆是
O
(
2
)
{\displaystyle O(2)}
和
S
O
(
2
)
{\displaystyle SO(2)}
的正規子群 。在三維中,固定旋轉軸,則相應有繞該軸的
k
{\displaystyle k}
重循環群
C
k
{\displaystyle C_{k}}
,是繞該軸的全體旋轉群的正規子群。此外,由於指數為
2
{\displaystyle 2}
的子群必正規,
C
n
{\displaystyle C_{n}}
在
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
中正規,也在
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
中正規。此處
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
是向
C
n
{\displaystyle C_{n}}
添加過旋轉軸的反射面生成,而
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
則是向
C
n
{\displaystyle C_{n}}
添加與軸垂直的反射面生成。
固定原點的三維等距變換
R
3
{\displaystyle \mathrm {R} ^{3}}
的等距變換中,固定原點的變換,組成正交群
O
(
3
,
R
)
{\displaystyle O(3,\mathbb {R} )}
,簡記為
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
。其元素分類如下:
子群
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
中:
單位(恆等變換);
繞過原點某軸的旋轉,且角度不為
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
;
繞過原點某軸的旋轉,且角度為
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
;
及以上變換但額外乘上點反演 (將向量
x
{\displaystyle x}
映去
−
x
{\displaystyle -x}
),即:
點反演;
繞過原點的某軸,作角度不為
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
的旋轉,後再作一次鏡射,鏡射面過原點,且與旋轉軸垂直;
關於過原點某平面的鏡射。
後三種元素又稱瑕旋轉 。(視乎定義,末一種未必算。)
連同平移變換的簡介,見歐幾里得群 。
共軛
比較兩件立體的對稱類時,原點可以分別選取,即兩件立體的中心不必相同。更甚者,兩件立體具有相同對稱類 ,意思是其對稱群
H
1
,
H
2
{\displaystyle H_{1},H_{2}}
在
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
中為共軛子群 ,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}
。
舉例:
兩件立體各僅有鏡射對稱,即使並非關於同一鏡面,仍屬同樣的對稱類;
同樣,若各僅有三重旋轉對稱,即使軸向不同,仍屬同樣的對稱類。
若立體的對稱群有多條旋轉軸或多個鏡面,或兩者皆有,則兩個對稱群同屬一類,當且僅當有另一個旋轉
g
{\displaystyle g}
,將前一個對稱群的整個結構,變換成後一個對稱群。(此種旋轉會多於一個,但不會是無窮多個。僅有一條旋轉軸或一個鏡面時,此種旋轉方會有無窮多個。)按定義,上文的
g
{\displaystyle g}
不必為旋轉,也可以為鏡射,然而,由於對稱群的結構不具手性,祇需取
g
{\displaystyle g}
為旋轉。(但空間群 則不然,有
11
{\displaystyle 11}
對空間群 具有手性,因為有螺旋變換。)
無窮等距變換群
有許多無窮等距變換群 ,如繞任意軸轉任意無理 角度(即圈數或度數為無理數,或弧度數為
π
{\displaystyle \pi }
的無理數倍)的旋轉,所生成的無窮循環群 ;若加入繞同一軸的其他旋轉,還可以組成許多非循環的交換群 。取不共軸的旋轉,則生成非交換群。一般而言 ,此等非交換群皆為自由群 。僅有特別選取的旋轉,方能得到有限群,否則一般皆是無窮群。
作為拓撲群
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的子群,上述無窮子群皆非閉子群 。以下討論
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的拓撲閉子群:
無標記特定點的球面 ,對稱群為
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
。
整個
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
是球對稱 群、
相應的旋轉群 是
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
、
其他無窮等距變換群有五個,皆含有過原點的某軸,繞該軸的所有旋轉 ,另外可以:
添加或不添加過軸的各鏡面反射,
另添加或不添加過原點與軸垂直的鏡面反射。(共四個)
最後,若以上兩種反射都無添加,則可以只添加兩者的複合,相當於添加與原旋轉軸垂直的軸上的
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋轉。(一個)
添加過軸的各鏡面反射的群,不論有否添加過原點與軸垂射的鏡面反射,稱為兩種圓柱對稱性 。注意若物理實體有無窮旋轉對稱,則亦必關於過軸的鏡面對稱。
此七個連續群,稱為極限點群 或居里極限群 ,得名自最早研究此種群的皮埃爾·居里 。[ 1] [ 2] 軸向群可以分成七列無窮序列,其極限給出五個軸向極限群(有兩個重複),而
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
、
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
則不是軸向群的極限。國際記號 中,此七個群記為
∞
,
∞
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} }
,次序在下文明確給出。[ 3]
有限等距變換群
三維空間的對稱中,保持原點不動,等價於保持以原點為球心的球面。關於有限的三維點群,亦可參見球面有限對稱群列表 。
不別共軛之異 ,三維有限點群只有:
7
{\displaystyle 7}
個無窮列,此七類群中,每個群至多一條旋轉軸有多於兩重旋轉。該些群皆是圓柱面 的對稱群(的有限子群),其中圓柱面有限長或無限長是等價的,有時稱為軸向點群 (英語:axial point groups )或稜柱點群 (英語:prismatic point groups )。
7
{\displaystyle 7}
個其他點群,每個有至少兩條至少三重的旋轉軸;也可以等價寫成有至少兩條三重旋轉軸,因為全部七個都有多條三重旋轉軸。若數出其三重以上的旋轉軸,所有可能組合有:
4
{\displaystyle 4}
條三重軸、
4
{\displaystyle 4}
條三重軸及
3
{\displaystyle 3}
條四重軸、
10
{\displaystyle 10}
條三重軸及
6
{\displaystyle 6}
條五重軸。
根據晶體學限制定理 ,僅得很少點群與離散平移對稱 相容:七列軸向點群中,有
27
{\displaystyle 27}
個;七個其他點群中,有
5
{\displaystyle 5}
個,合共
32
{\displaystyle 32}
個,稱為晶體學點群 。
七類軸向點群
有七列軸向點群。每列有無窮多個群,各可用正整數
n
{\displaystyle n}
標示。每列第
n
{\displaystyle n}
個群,含繞某軸的
n
{\displaystyle n}
重旋轉,即旋轉
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
,故
n
=
1
{\displaystyle n=1}
對應轉一整圈,即不旋轉。七列軸向點群中,四列無其他旋轉軸(稱循環對稱 ),另三列有其他二重旋轉軸(稱二面對稱 )。該些群可以視為二維點群 添加軸向坐標和關於軸的反射而成,也與帶群 相關。[ 4] 可以將軸向點群理解為帶群的圖案在繞柱面恰好重複
n
{\displaystyle n}
次。
下表列出點群的幾種記號:晶體學 的赫爾曼–莫甘記號 、分子對稱性 的熊夫利記號 、軌形記號 、考克斯特記號 。後三者不僅方便讀出群的性質,還與群的階數密切相關。軌形記號同時通用於牆紙群 與帶群 。晶體群的
n
{\displaystyle n}
僅能取
1
,
2
,
3
,
4
,
6
{\displaystyle 1,2,3,4,6}
(晶體學限制定理 ),而若移除該限制,則
n
{\displaystyle n}
可取任意正整數。七列軸向點群為:
赫-莫
熊夫利
軌形
考克斯特
帶群
抽象結構 (群階 )
例子
備註
n
{\displaystyle n}
偶
n
{\displaystyle n}
奇
(圓柱)
n
{\displaystyle n}
C
n
{\displaystyle C_{n}}
n
n
{\displaystyle nn}
[
n
]
+
{\displaystyle [n]^{+}}
p1
循環群
Z
n
{\displaystyle Z_{n}}
(
n
{\displaystyle n}
)
n
{\displaystyle n}
重旋轉對稱
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}
重旋轉反射 對稱 勿與
2
n
{\displaystyle 2n}
次抽象對稱群 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
二面體群
D
i
h
n
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{n}}
(
2
n
{\displaystyle 2n}
)
稜錐 對稱 生物學又稱雙輻射狀對稱
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}
)
二面體對稱
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}
)
反稜柱 對稱
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}
)
稜柱 對稱
對奇數
n
{\displaystyle n}
,有抽象群同構
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,其他則無手性。
術語水平 (horizontal, h )與豎直 (vertical, v )描述反射面的方向,以旋轉軸為豎直,故反射面水平即垂直於與旋轉軸,反射面豎直即包含為旋轉軸。相應下標用字母h和v。
最簡單的非平凡軸向群皆同構於抽象群
Z
2
{\displaystyle Z_{2}}
,但是
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的不同子群(即不共軛):
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
(等同
S
2
{\displaystyle S_{2}}
)——點反演對稱
C
2
{\displaystyle C_{2}}
——二重旋轉對稱
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} }}
)——反射對稱 ,生物學 又稱兩側對稱 (英語:bilateral symmetry )。
七條圓柱形帶上,印有不同圖樣,使各自的對稱群等於七列軸向群中,取
n
=
6
{\displaystyle n=6}
的情況。
第一組單軸循環群 中,
C
n
{\displaystyle C_{n}}
的階為
n
{\displaystyle n}
(二維情況同樣適用),是由單一個角度為
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
的旋轉生成。若向此群加入一個與軸垂直的鏡面(的反射),則生成
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
,階為
2
n
{\displaystyle 2n}
。若不加入與軸垂直的鏡面,但加入
n
{\displaystyle n}
塊通過軸的鏡面,則得到
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
,階亦為
2
n
{\displaystyle 2n}
。後者是正
n
{\displaystyle n}
稜錐 的對稱群。具
C
n
{\displaystyle C_{n}}
或
D
n
{\displaystyle D_{n}}
的典型物體是螺旋槳 。
若上述兩種鏡面皆加入,則水平鏡面與豎直鏡面相交得到
n
{\displaystyle n}
條軸,而鏡射的複合 生成繞該些軸的
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋轉,故群不再單軸。新群的階為
4
n
{\displaystyle 4n}
,記為
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
。其旋轉子群為
2
n
{\displaystyle 2n}
個元素的二面體群
D
n
{\displaystyle D_{n}}
,仍有與主(
n
{\displaystyle n}
重)旋轉軸垂直的二重旋轉軸,但不再有鏡面。
注意,在二維,
D
n
{\displaystyle D_{n}}
包括鏡射,但鏡射也可以視為將不辨前後之別的扁平物體翻轉得到。但在三維,鏡射與翻轉不再相同:群
D
n
{\displaystyle D_{n}}
有翻轉但無鏡射。
餘下一類是
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
(或
D
n
v
{\displaystyle D_{n\mathrm {v} }}
),其有包含主旋轉軸的豎直鏡面,但沒有水平鏡面,取而代之的操作是先水平鏡射,再旋轉
180
∘
/
n
{\displaystyle 180^{\circ }/n}
。
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
是正
n
{\displaystyle n}
稜柱 和雙稜錐 的對稱群。
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
則是正
n
{\displaystyle n}
角反稜柱 的對稱群,亦是正
n
{\displaystyle n}
方偏方面體 的對稱群。最後,
D
n
{\displaystyle D_{n}}
是稍稍扭過的正
n
{\displaystyle n}
稜柱的對稱群。
D
2
{\displaystyle D_{2}}
及
D
2
h
{\displaystyle D_{2\mathrm {h} }}
較特殊,因為並無特別的主旋轉軸:三條互相垂直的旋轉軸皆為二重軸。
D
2
{\displaystyle D_{2}}
是下節所有多面體對稱群的子群,而
D
2
h
{\displaystyle D_{2\mathrm {h} }}
則是多面體群
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
與
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
的子群。
D
2
{\displaystyle D_{2}}
可以作為下列化學品的對稱群:
D
2
{\displaystyle D_{2}}
的元素,與利普希茨四元數 的可逆元 表示的旋轉,有一對二的關係。
群
S
n
{\displaystyle S_{n}}
由「先關於水平面作鏡射,再旋轉
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
」生成。對於奇數
n
{\displaystyle n}
,是等於前述兩個操作分開執行,生成的群
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
,階為
2
n
{\displaystyle 2n}
,故不必用到記號
S
n
{\displaystyle S_{n}}
。然而,對偶數
n
{\displaystyle n}
,兩個群有差異,且
S
n
{\displaystyle S_{n}}
僅有
n
{\displaystyle n}
個元素。與
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
類似,其包含若干瑕旋轉 ,但不包含對應的旋轉。
七列軸向群的元素僅有下列四對重複:
C
1
h
{\displaystyle C_{1\mathrm {h} }}
及
C
1
v
{\displaystyle C_{1\mathrm {v} }}
:階數為
2
{\displaystyle 2}
,由獨一個鏡射生成。又稱
C
s
{\displaystyle C_{\mathrm {s} }}
。
D
1
{\displaystyle D_{1}}
與
C
2
{\displaystyle C_{2}}
:階數為
2
{\displaystyle 2}
,由獨一個
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋轉生成。
D
1
h
{\displaystyle D_{1\mathrm {h} }}
與
C
2
v
{\displaystyle C_{2\mathrm {v} }}
:階數為
4
{\displaystyle 4}
,由一個鏡射與鏡面上一條軸的
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋轉生成。
D
1
d
{\displaystyle D_{1\mathrm {d} }}
與
C
2
h
{\displaystyle C_{2\mathrm {h} }}
:階數為
4
{\displaystyle 4}
,由一個鏡射與一條垂直於鏡面的軸的
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
旋轉生成。
S
2
{\displaystyle S_{2}}
是由獨一個點反演 生成的
2
{\displaystyle 2}
階群,又記為
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
。
此處「重複」是指作為
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
的子群共軛,是強於作為抽象群代數同構的條件。例如,前一種意義下,有三個不同的
2
{\displaystyle 2}
階群,但只有一個
2
{\displaystyle 2}
階抽象群。類似,也有
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
與
Z
2
n
{\displaystyle Z_{2n}}
抽象同構。
群的構造亦可描述如下:
C
n
{\displaystyle C_{n}}
是由獨一個元素生成,生成元亦稱為
C
n
{\displaystyle C_{n}}
,是繞軸轉
2
π
/
n
{\displaystyle 2\pi /n}
。群的元素是:
E
{\displaystyle E}
(單位元),
C
n
,
C
n
2
,
…
,
C
n
n
−
1
{\displaystyle C_{n},C_{n}^{2},\ldots ,C_{n}^{n-1}}
,對應旋轉角
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}
。該軸視為豎直軸。
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
由獨一個元素
C
2
n
σ
h
{\displaystyle C_{2n}\sigma _{\mathrm {h} }}
生成,其中
σ
h
{\displaystyle \sigma _{\mathrm {h} }}
是水平面的鏡射。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}}
與反射
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}}
與豎直鏡面的反射
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}}
與繞水平面上某軸
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
的旋轉
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} }}
與
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}}
與
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
的額外元素,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。其元素為
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}}
的所有額外元素。
取
n
{\displaystyle n}
趨向
∞
{\displaystyle \infty }
的極限,則得到連續軸向群(或無窮階軸向群):
赫-莫
熊夫利
軌形
考克斯特
是何序列的極限
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)}
七個其他點群
餘下七個點群又稱為高度對稱或多面體 對稱,因為有多於一條旋轉軸的重數大於二。下表中,
C
n
{\displaystyle C_{n}}
表示一條
n
{\displaystyle n}
重軸,即旋轉角為
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
,
S
n
{\displaystyle S_{n}}
則表示同樣旋轉角的瑕旋轉軸。所用記號,首先是字母表示的熊夫利記號 ,然後括號內為軌形記號 ,然後為考克斯特記號 及圖,最後是赫爾曼–莫甘記號 及倘有的簡寫。
T
,
(
332
)
{\displaystyle T,\ (332)}
[
3
,
3
]
+
{\displaystyle [3,3]^{+}}
( )
23
{\displaystyle 23}
階為
12
{\displaystyle 12}
手性四面體對稱
有四條
C
3
{\displaystyle C_{3}}
軸,是立方體 的四條體對角線,也可以看成正四面體 四個頂點分別到對面中心的連線。另有三條
C
2
{\displaystyle C_{2}}
軸,是立方體三組對面的中心連線,也是正四面體三組對邊的中點連線。
T
{\displaystyle T}
同構 交錯群
A
4
{\displaystyle A_{4}}
,即四個元素的偶排列的群。本群為正四面體的旋轉群,也是
T
d
,
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {d} },\ T_{\mathrm {h} }}
及以下兩種八面體對稱群的正規子群 。本群的
12
{\displaystyle 12}
個元素,與赫維茲四元數 的
24
{\displaystyle 24}
個可逆元 ,有一對二的關係,而後者又稱為二元四面體群 。
T
d
,
(
∗
332
)
{\displaystyle T_{\mathrm {d} },\ (^{*}332)}
[
3
,
3
]
{\displaystyle [3,3]}
( )
4
¯
3
m
{\displaystyle {\overline {4}}3\mathrm {m} }
階為
24
{\displaystyle 24}
全四面體對稱
本群與
T
{\displaystyle T}
有相同的旋轉軸,但另有六塊鏡面,每塊經過立方體的兩條不在同一面的平行邊,也是正四面體六條稜各自的垂直平分面。每塊鏡面包含一條
C
2
{\displaystyle C_{2}}
軸,兩條
C
3
{\displaystyle C_{3}}
軸。原
C
2
{\displaystyle C_{2}}
軸,加入鏡射後,變成
S
4
{\displaystyle S_{4}}
軸。本群是正四面體 的對稱群。
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
同構於
4
{\displaystyle 4}
個元素的對稱群
S
4
{\displaystyle S_{4}}
,因為
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
的元素,會將
4
{\displaystyle 4}
條
C
3
{\displaystyle C_{3}}
軸重新排列,而元素與此四條軸的排列一一對應。若一件物體繞其中一條三重軸,有
C
3
v
{\displaystyle C_{3\mathrm {v} }}
對稱,則在
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
作用下,軌道 有四件同樣的物體,
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
就對應此四件物體的排列的集合。
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
是
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
的正規子群。
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}}}
階為
24
{\displaystyle 24}
五角十二面體 對稱
排球 的縫線有
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
。(立方五角十二面體 ) 本群與
T
{\displaystyle T}
的旋轉軸相同,另有與立方體的面平行的鏡面。四條
C
3
{\displaystyle C_{3}}
軸變成
S
6
{\displaystyle S_{6}}
軸,並有關於中心的反演對稱。
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
同構於
A
4
×
Z
2
{\displaystyle A_{4}\times Z_{2}}
(因為
T
{\displaystyle T}
與
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
皆是正規子群),而與對稱群
S
4
{\displaystyle S_{4}}
不同構。若在立方體的每個面上,各畫一條線段,將該面分成兩個全等的長方形,且使得新增的線段不會相交於稜上,則所得的圖形的對稱群為
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
。該些對稱是:立面體四條體對角線的偶排列 ,及該等偶排列與中心反演的複合。本群亦是五角十二面體 的對稱群。五角十二面體與前述的(面經分割的)立方體類似,但其中每個長方形換成有四邊等長,具一條對稱軸的五角形,而五角形餘下一條不同長度的邊,對應立方體的面上新增的線段。換言之,可以想像立方體的面在分割線隆起,並在該處變窄(即分割線變短)。本群為全二十面體對稱群的子群(但不正規),且是作為等距變換群的子群,而不僅是抽象子群。全二十面體對稱群有十條三重軸,而本群有其中四條。本群亦為
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
的正規子群。雖然記作
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
,本群並非任何四面體(英語:T etrahedron )的對稱群。
O
,
(
432
)
{\displaystyle O,\ (432)}
[
4
,
3
]
+
{\displaystyle [4,3]^{+}}
( )
432
{\displaystyle 432}
階為
24
{\displaystyle 24}
手性八面體對稱
本群與
T
{\displaystyle T}
類似,但各
C
2
{\displaystyle C_{2}}
軸現改成
C
4
{\displaystyle C_{4}}
軸,並有額外六條
C
2
{\displaystyle C_{2}}
軸,是過正方體中心與(六對)稜中點的直線。本群與
S
4
{\displaystyle S_{4}}
同構,因為其元素與四條三重軸的
24
{\displaystyle 24}
個排列一一對應,與
T
{\displaystyle T}
類似。若物體繞某條三重軸有
D
3
{\displaystyle D_{3}}
對稱,則在
O
{\displaystyle O}
作用下,軌道 有四件同樣的物體,而
O
{\displaystyle O}
的元素也一一對應此四件物體的排列。本群是立方體 與正八面體 的旋轉群。若用四元數 表示旋轉,則
O
{\displaystyle O}
對應
24
{\displaystyle 24}
個赫維茲四元數 的可逆元 及範數平方為
2
{\displaystyle 2}
的
24
{\displaystyle 24}
個利普希茨四元數 ,各除以
2
{\displaystyle {\sqrt {2}}}
。與
T
{\displaystyle T}
類似,此為一對二的關係。
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} }
階為
48
{\displaystyle 48}
全八面體對稱
本群與
O
{\displaystyle O}
有同樣的旋轉軸,但也有鏡射,有齊
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
與
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
的所有鏡面。本群同構於
S
4
×
Z
2
{\displaystyle S_{4}\times Z_{2}}
(因為
O
{\displaystyle O}
與
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
皆為正規子群),且是立方體 與正八面體 的對稱群。見八面體對稱 。
I
,
(
532
)
{\displaystyle I,(532)}
[
5
,
3
]
+
{\displaystyle [5,3]^{+}}
( )
532
{\displaystyle 532}
階為
60
{\displaystyle 60}
手性二十面體對稱
本群為正二十面體 與正十二面體 的旋轉群,亦是全正二十面體對稱群
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
的指標
2
{\displaystyle 2}
正規子群 。本群的子群中,有十個
D
3
{\displaystyle D_{3}}
與六個
D
5
{\displaystyle D_{5}}
(即稜柱或反稜柱的旋轉群)。本群也包含五個
T
{\displaystyle T}
子群(見五複合正四面體 )。抽象而言,
I
{\displaystyle I}
同構 於
5
{\displaystyle 5}
次交錯群
A
5
{\displaystyle A_{5}}
,因為其元素作用在五個
T
{\displaystyle T}
子群上,與其偶排列一一對應。等價地,可以考慮
I
{\displaystyle I}
對前述五複合正四面體的五個單體的作用。以四元數 表示旋轉,則
I
{\displaystyle I}
對應
120
{\displaystyle 120}
個二十數 可逆元 。與先前一樣,此為一對二的關係。
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} }
階為
120
{\displaystyle 120}
全二十面體對稱
本群為正二十面體與正十二面體的對稱群。
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
與抽象群
A
5
×
Z
2
{\displaystyle A_{5}\times Z_{2}}
同構,因為
I
{\displaystyle I}
與
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
皆是正規子群。本群的子群中,有十個
D
3
d
{\displaystyle D_{3\mathrm {d} }}
、六個
D
5
d
{\displaystyle D_{5\mathrm {d} }}
(反稜柱的對稱)、五個
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
。
相關的連續群有:
旋轉群
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
,即所有旋轉的群,亦記作
∞
∞
{\displaystyle \infty \infty }
或
K
{\displaystyle K}
。
正交群
O
(
3
)
{\displaystyle O(3)}
,所有旋轉和鏡射生成的群,亦記作
∞
∞
m
{\displaystyle \infty \infty \mathrm {m} }
或
K
h
{\displaystyle K_{\mathrm {h} }}
。
如無窮等距變換群 一節所言,任何物理實體,若有
K
{\displaystyle K}
對稱性,則必有
K
h
{\displaystyle K_{\mathrm {h} }}
對稱性。
軌形記號與階
若已知群的軌形記號,則可計算其階數,等於
2
{\displaystyle 2}
除以軌形 的歐拉示性數 。軌形的歐拉示性數是將
2
{\displaystyle 2}
減去軌形記號中,各符號特徵數的總和:
無
∗
{\displaystyle {}^{*}}
或在
∗
{\displaystyle {}^{*}}
之前的
n
{\displaystyle n}
,值為
(
n
−
1
)
/
n
{\displaystyle (n-1)/n}
;
在
∗
{\displaystyle {}^{*}}
之後的
n
{\displaystyle n}
,值為
(
n
−
1
)
/
(
2
n
)
{\displaystyle (n-1)/(2n)}
;
∗
{\displaystyle {}^{*}}
與
×
{\displaystyle \times }
計為
1
{\displaystyle 1}
。
此公式同樣適用於壁紙群 與帶群 :對該等群,特徵數之和為
2
{\displaystyle 2}
,所以階數是無窮大。亦見壁紙群 條目。
反射考克斯特群
三維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}
塊鏡
3
+
6
{\displaystyle 3+6}
塊鏡
15
{\displaystyle 15}
塊鏡
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}
塊鏡
3
{\displaystyle 3}
塊鏡
4
{\displaystyle 4}
塊鏡
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}
塊鏡
2
{\displaystyle 2}
塊鏡
3
{\displaystyle 3}
塊鏡
三維反射點群又稱為考克斯特群 ,能以考克斯特-鄧肯圖 表示,是交於同一個中心點的若干鏡面反射生成的群。該些鏡面將球面分割成球面三角形 區域。若考克斯特群能以少於三個鏡射生成,則該球面三角形退化,變成球面二角形 或半球面 。在考克斯特記號 ,該些群是正四面體對稱
[
3
,
3
]
{\displaystyle [3,3]}
、正八面體對稱
[
4
,
3
]
{\displaystyle [4,3]}
、正二十面體對稱
[
5
,
3
]
{\displaystyle [5,3]}
、二面體對稱
[
p
,
2
]
{\displaystyle [p,2]}
。不可約群的鏡面數是
n
h
/
2
{\displaystyle nh/2}
,其中
h
{\displaystyle h}
是群的考克斯特數 ,而
n
{\displaystyle n}
是反射方向的秩(維數),等於符號的下標。[ 5]
熊夫利記號
考克斯特- 鄧肯圖標籤
考克斯特記號
群階
考克斯特數 (
h
{\displaystyle h}
)
鏡數 (
m
{\displaystyle m}
)
多面體群
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}
二面體群
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}
循環群
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}
單鏡面
C
1
v
{\displaystyle C_{1\mathrm {v} }}
A
1
{\displaystyle A_{1}}
[
]
{\displaystyle [\ ]}
2
{\displaystyle 2}
1
{\displaystyle 1}
旋轉群
有限旋轉群,即
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
的有限子群,僅有:循環群
C
n
{\displaystyle C_{n}}
(正稜錐 的旋轉群)、二面體群
D
n
{\displaystyle D_{n}}
(正稜柱 或雙錐體 的旋轉群)、
T
{\displaystyle T}
(正四面體 的旋轉群)、
O
{\displaystyle O}
(正八面體 或正六面體 的旋轉群)、
I
{\displaystyle I}
(正二十面體 或正十二面體 的旋轉群)。
特別地,二面體群
D
3
{\displaystyle D_{3}}
、
D
4
{\displaystyle D_{4}}
等,是平面正多邊形嵌入到三維空間後的旋轉群。此種薄片也可以視為退化的正稜柱,或稱為二面體 ,二面體群因而得名。
若物體的對稱類為
C
n
,
C
n
h
,
C
n
v
,
S
2
n
{\displaystyle C_{n},\ C_{n\mathrm {h} },\ C_{n\mathrm {v} },\ S_{2n}}
,則旋轉群為
C
n
{\displaystyle C_{n}}
。
若物體的對稱類為
D
n
,
D
n
h
,
D
n
d
{\displaystyle D_{n},\ D_{n\mathrm {h} },\ D_{n\mathrm {d} }}
,則旋轉群為
D
n
{\displaystyle D_{n}}
。
若物體的對稱類屬其他七種多面體對稱,則旋轉群是相應無下標的群,即
T
,
O
,
I
{\displaystyle T,\ O,\ I}
之一。
當且僅當物體有手性 時,其旋轉群等於整個對稱群。換言之,手性物體就是對稱群在旋轉群列表中的物體。
用熊夫利記號 、考克斯特記號 ,及括號內的軌形記號 表示,旋轉群是:
反射
反射/旋轉
瑕旋轉
旋轉
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)}
旋轉群與其他群的對應
下列群有點反演 :
n
{\displaystyle n}
為偶數時,
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
及
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
、
n
{\displaystyle n}
為奇數時,
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
及
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
(特別地,
S
2
=
C
i
{\displaystyle S_{2}=C_{\mathrm {i} }}
是僅由點反演生成的群,另有
D
1
d
=
C
2
h
{\displaystyle D_{1\mathrm {d} }=C_{2\mathrm {h} }}
屬於前項)、
T
h
,
O
h
,
I
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} },\ O_{\mathrm {h} },\ I_{\mathrm {h} }}
。
如上文 所述,此種群與所有旋轉群之間,有一一對應:
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
(
n
{\displaystyle n}
為偶)及
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
(
n
{\displaystyle n}
為奇)對應
C
n
{\displaystyle C_{n}}
。
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
(
n
{\displaystyle n}
為偶)及
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
(
n
{\displaystyle n}
為奇)對應
D
n
{\displaystyle D_{n}}
。
T
h
,
O
h
,
I
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} },\ O_{\mathrm {h} },\ I_{\mathrm {h} }}
分別對應
T
,
O
,
I
{\displaystyle T,O,I}
。
下列群具有間接(不保定向)的等距變換,但無點反演:
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
、
n
{\displaystyle n}
為奇數時,
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
及
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
、
n
{\displaystyle n}
為偶數時,
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
及
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
、
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
。
上述各群分別對應一個旋轉群
H
{\displaystyle H}
及其指標
2
{\displaystyle 2}
的子群
L
{\displaystyle L}
,使得該群是由
H
{\displaystyle H}
的元素,加上
H
∖
L
{\displaystyle H\setminus L}
經點反演後的元素得到,如上文 所述:
C
n
{\displaystyle C_{n}}
是
D
n
{\displaystyle D_{n}}
的指標
2
{\displaystyle 2}
子群,對應
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
。
C
n
{\displaystyle C_{n}}
是
C
2
n
{\displaystyle C_{2n}}
的指標
2
{\displaystyle 2}
子群,
n
{\displaystyle n}
為奇時對應
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
,
n
{\displaystyle n}
為偶時則對應
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
。
D
n
{\displaystyle D_{n}}
是
D
2
n
{\displaystyle D_{2n}}
的指標
2
{\displaystyle 2}
子群,
n
{\displaystyle n}
為奇時對應
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
,
n
{\displaystyle n}
為偶時對應
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
。
T
{\displaystyle T}
是
O
{\displaystyle O}
的指標
2
{\displaystyle 2}
子群,對應
T
d
{\displaystyle T_{\mathrm {d} }}
。
極大對稱群
離散點群中,
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
和
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
並非任何其他離散點群的真子群,故謂極大 。其公共子群中,最大的是
T
h
{\displaystyle T_{\mathrm {h} }}
。由此,可以將二重旋轉對稱改成四重而得
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
,亦可加入五重旋轉對稱而得
I
h
{\displaystyle I_{\mathrm {h} }}
。
類似地,有兩個晶體學點群並非任何其他晶體學點體的真子群:
O
h
{\displaystyle O_{\mathrm {h} }}
與
D
6
h
{\displaystyle D_{6\mathrm {h} }}
。視乎方向,其極大公共子群為
D
3
d
{\displaystyle D_{3\mathrm {d} }}
或
D
2
h
{\displaystyle D_{2\mathrm {h} }}
。
按抽象群同構分類
下列若干個表,將前述諸群,按抽象群同構分類。
最小幾個不能表示成三維對稱群的抽象群為:
8
{\displaystyle 8}
階的四元群 、
9
{\displaystyle 9}
階的
Z
3
×
Z
3
{\displaystyle Z_{3}\times Z_{3}}
、
12
{\displaystyle 12}
階的雙循環群
D
i
c
3
{\displaystyle \mathrm {Dic} _{3}}
,以及十四個
16
{\displaystyle 16}
階群的其中十個。
下表中,「
2
{\displaystyle 2}
階元素數」一列,數算
C
2
,
C
i
,
C
s
{\displaystyle C_{2},C_{\mathrm {i} },C_{\mathrm {s} }}
三類等距變換子群的總數,是有助分辨抽象群類型的特徵數,而該總數之內,各類等距變換子群的數目,則有助辨別屬同一類抽象群的不同等距變換群。
循環群
n
{\displaystyle n}
重旋轉對稱 的對稱群 為
C
n
{\displaystyle C_{n}}
。其抽象同構類是循環群
Z
n
{\displaystyle Z_{n}}
,亦可記作
C
n
{\displaystyle C_{n}}
。然而,另有兩列對稱群同構於循環群:
對於偶階數
2
n
{\displaystyle 2n}
,瑕旋轉 群
S
2
n
{\displaystyle S_{2n}}
(熊夫利記號),生成元為繞某軸
180
∘
/
n
{\displaystyle 180^{\circ }/n}
的旋轉後關於與軸垂直的鏡面反射。
S
2
{\displaystyle S_{2}}
也記為
C
i
{\displaystyle C_{\mathrm {i} }}
,由點反演生成。
對於奇數
n
{\displaystyle n}
,有階數
2
n
{\displaystyle 2n}
的群
C
n
h
{\displaystyle C_{n\mathrm {h} }}
。該群有一條
n
{\displaystyle n}
重旋轉軸,另有與該軸垂直的鏡射。換言之,群由兩種變換生成,即繞軸
360
∘
/
n
{\displaystyle 360^{\circ }/n}
的旋轉,及該鏡射。
C
1
h
{\displaystyle C_{1\mathrm {h} }}
又可記作
C
s
{\displaystyle C_{\mathrm {s} }}
,僅由一個鏡射生成。
故可總結出下表:(十個循環晶體學點群以粗體標出,其滿足晶體學限制 。)
階數
等距變換群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
階元素數
環圖
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
二維二面體群
D
n
{\displaystyle D_{n}}
有旋轉和反射,但二維反射亦可視為在三維空間中,將不區分正反面的薄片翻轉。
然而在三維,反射與翻轉須作區分。以
D
n
{\displaystyle D_{n}}
表示的對稱群,有
n
{\displaystyle n}
條二重軸,與
n
{\displaystyle n}
重的主旋轉軸垂直,但無反射。
D
n
{\displaystyle D_{n}}
是正
n
{\displaystyle n}
稜柱 、正雙
n
{\displaystyle n}
角錐 、正
n
{\displaystyle n}
角反稜柱 、
n
{\displaystyle n}
方偏方面體 的旋轉群 。若略作改動,如在每面加上相同的手性 標記,或稍為改變形狀,則可以使物體具有手性,從而令
D
n
{\displaystyle D_{n}}
為其全對稱群。
相應的抽象群類型是二面體群
D
i
h
n
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{n}}
,亦可照樣記為
D
n
{\displaystyle D_{n}}
。但除
D
n
{\displaystyle D_{n}}
外,還有三個無窮序列的對稱群,同構於二面體群:
C
n
v
{\displaystyle C_{n\mathrm {v} }}
,階為
2
n
{\displaystyle 2n}
,是正
n
{\displaystyle n}
稜錐 的對稱群;
D
n
d
{\displaystyle D_{n\mathrm {d} }}
,階為
4
n
{\displaystyle 4n}
,是正
n
{\displaystyle n}
角反稜柱 的對稱群;
對應奇數
n
{\displaystyle n}
的群
D
n
h
{\displaystyle D_{n\mathrm {h} }}
,其階為
4
n
{\displaystyle 4n}
。當
n
=
1
{\displaystyle n=1}
時,等同
D
2
{\displaystyle D_{2}}
,已於上文討論,故此處可取
n
≥
3
{\displaystyle n\geq 3}
。
注意有以下同構:
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}.}
於是可以整理出下表:(有
12
{\displaystyle 12}
個晶體學點群用粗體標示,另
D
1
d
{\displaystyle D_{1\mathrm {d} }}
寫成等價的
C
2
h
{\displaystyle C_{2\mathrm {h} }}
)
階數
等距變換群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
階元素數
環圖
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} }}
的階數為
4
n
{\displaystyle 4n}
,同構於抽象群
Z
2
n
×
Z
2
{\displaystyle Z_{2n}\times Z_{2}}
。在
n
=
1
{\displaystyle n=1}
時,
C
2
n
h
{\displaystyle C_{2n\mathrm {h} }}
等同
D
i
h
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{2}}
,已於上小節討論,故本小節僅考慮
n
≥
2
{\displaystyle n\geq 2}
的情況。
此系列的群可以整理成下表:(其中兩個晶體學點群以粗體強調)
階數
等距變換群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
階元素數
環圖
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} }}
的階數為
4
n
{\displaystyle 4n}
,同構於抽象群
D
i
h
n
×
Z
2
{\displaystyle \mathrm {Dih} _{n}\times Z_{2}}
。對於奇數
n
{\displaystyle n}
,已於上小節 討論,故此處僅考慮階數為
8
n
{\displaystyle 8n}
的群
D
2
n
h
{\displaystyle D_{2n\mathrm {h} }}
,其抽象群類別為
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:(其中三個晶體學點群以粗體強調)
階數
等距變換群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
階元素數
環圖
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 }
餘下七個多面體群是:(其中五個晶體學點群以粗體強調)
階數
等距變換群
抽象群
2
{\displaystyle 2}
階元素數
環圖
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
點群的基本域 是錐體 。若物體有給定的對稱群,則指明物體的某一個基本域變換至哪個基本域,就足以確定該變換。另外,僅從該件物體在一個基本域內的形狀,就足以確定整件物體的形狀。若物體是曲面,則可由其被一個基本域截得的部分確定,該部分亦是(有邊界的)曲面,下稱「基本面」,延伸至基本域的徑向邊界面(即錐體的側面)。但是,若基本面與其他基本面(即基本面在其他基本域的複製),兩者的邊界未能貼合,則需要添加徑向的面或其他曲面,以使各基本面連接成一個整體。若基本面以反射面為界,則必然貼合。
基本面可以取為任意平面被基本域所截的部分,如此得到一個多面體,具有給定的對稱群,如四角化菱形三十面體 的每一個面,即為全二十面體對稱 的一個基本面。若調整該面的方向,則有時可以使相鄰的若干個基本面共面,而合併成同一個面,得到具同樣對稱群的其他多面體,如正十二面體 和正二十面體 。若基本面的邊界能夠貼合,且基本面的法向量 是在基本域內,則所得的多面體為凸多面體。
基本面也可以取為其他形狀,不必在同一平面內,例如可取為若干個不同平面的區域連接而成的曲面。
二元多面體群
考慮三維旋量群
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
到旋轉群
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
的二重覆疊投映 。由於
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
已是單連通 ,故為
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
僅有的非平凡連通覆疊。
由子群的對應 ,
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
與
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
的子群(即旋轉點群)之間有伽羅瓦連接 :
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
子群投映到
S
O
(
3
)
{\displaystyle SO(3)}
,必為旋轉子群,而反之,旋轉子群的原像 亦必為是
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
的子群。注意
S
p
i
n
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)}
可以等價描述成特殊酉群
S
U
(
2
)
{\displaystyle SU(2)}
,或是單位四元數群 ,亦屬李群 ,拓撲上同胚 於三維球面
S
3
{\displaystyle S^{3}}
。
有限點群的原像稱為二元多面體群 ,記作
⟨
l
,
n
,
m
⟩
{\displaystyle \langle l,n,m\rangle }
,與多面體群
(
l
,
m
,
n
)
{\displaystyle (l,m,n)}
對應,而名稱則是相應點群的名稱加上「二元」前綴,階數為點群階數的兩倍。例如,二十面體群
(
2
,
3
,
5
)
{\displaystyle (2,3,5)}
的原像,便是二元二十面體群
⟨
2
,
3
,
5
⟩
{\displaystyle \langle 2,3,5\rangle }
。
二元多面體群為:
A
n
{\displaystyle A_{n}}
: 正
n
{\displaystyle n}
邊形的二元循環群 ,階數
2
n
{\displaystyle 2n}
。
D
n
{\displaystyle D_{n}}
: 正
n
{\displaystyle n}
邊形的二元二面體群
⟨
2
,
2
,
n
⟩
{\displaystyle \langle 2,2,n\rangle }
,階數
4
n
{\displaystyle 4n}
。
E
6
{\displaystyle E_{6}}
: 二元四面體群
⟨
2
,
3
,
3
⟩
{\displaystyle \langle 2,3,3\rangle }
,階數
24
{\displaystyle 24}
。
E
7
{\displaystyle E_{7}}
: 二元八面體群
⟨
2
,
3
,
4
⟩
{\displaystyle \langle 2,3,4\rangle }
,階數
48
{\displaystyle 48}
。
E
8
{\displaystyle E_{8}}
: 二元二十面體群
⟨
2
,
3
,
5
⟩
{\displaystyle \langle 2,3,5\rangle }
,階數
120
{\displaystyle 120}
。
該些群能按ADE分類 ,而
C
2
{\displaystyle \mathbb {C} ^{2}}
在二元多面體群作用下的商空間 ,是杜瓦爾奇點 。[ 6]
對於不保定向的點群,情況較複雜,因為有兩個Pin群 ,所以對應給定的點群,有兩個可能的二元群。
注意前述「覆疊」僅是群的覆疊,而不是多面體空間的覆疊:球面本身單連通 ,並無非平凡覆疊 。所以,並無所謂「二元多面體」覆疊原有的多面體。二元多面體群是旋量群的離散子群,所以若選定旋量群的表示 ,作用於一個向量空間,則該二元多面體群在該表示下,可能將某個多面體映到自身,例如在
S
p
i
n
(
3
)
→
S
O
(
3
)
{\displaystyle \mathrm {Spin} (3)\to SO(3)}
映射下,二元多面體群作用為旋轉,與底下的(非二元)群是同一個多面體的等距變換,然而,在旋量表示 或其他表示下,二元多面體群可以作用在不同的多面體上。
二元多面體群不是射影多面體 的對稱群。球面確實覆疊射影空間 (以及透鏡空間 ),故可以考慮射影空間的密鋪,視之為另一種「多面體」,即射影多面體,但是,考慮二元多面體群時,並非取多面體所覆疊的空間,而是取覆疊對稱群的群,所以兩件事不相同。
參見
參考文獻
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Coxeter, H. S. M.; Moser, W. O. J. 6.5 The binary polyhedral groups [第6.5節:二元多面體群]. Generators and Relations for Discrete Groups [離散群的生成元與關係] 4th edition. New York: Springer-Verlag. 1980: 68. ISBN 0-387-09212-9 (英語) .
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