En geometría, la notación de Coxeter (de la que forman parte los símbolos de Coxeter) es un sistema de clasificación de grupos de simetría, que describe los ángulos entre las reflexiones fundamentales de un grupo de Coxeter mediante una notación entre corchetes que expresa la estructura de un diagrama de Coxeter-Dynkin, con modificadores para indicar ciertos subgrupos. La notación lleva el nombre de Harold Scott MacDonald Coxeter y fue definida de manera más completa por Norman Johnson.
Para los grupos de Coxeter, definidos exclusivamente con operaciones de reflexión, existe una correspondencia directa entre la notación de corchetes y los diagramas de Coxeter-Dynkin. Los números entre paréntesis representan los órdenes de reflexión especular en las ramas del diagrama de Coxeter. Utiliza la misma simplificación, suprimiendo 2s entre espejos ortogonales.
La notación de Coxeter se simplifica con exponentes para representar el número de ramas en una fila para un diagrama lineal. Así que el grupo An está representado por [3n−1], lo que implica n nodos conectados por n-1 ramas de orden 3. El ejemplo A2 = [3,3] = [32] o [31,1] representa los diagramas o .
Coxeter inicialmente representó diagramas bifurcados con los números situados verticalmente, pero luego los abrevió con una notación exponencial, como [...,3p,q] o [3p,q,r], comenzando con [31,1,1] o [3,31,1] = o como D4. Coxeter permitió el uso de ceros como casos especiales para ajustarse a la familia An, como A3 = [3,3,3,3] = [34,0,0] = [34,0] = [33,1] = [32,2], como = = .
Los grupos de Coxeter formados por diagramas cíclicos se representan mediante paréntesis dentro de corchetes, como [(p,q,r)] = para el grupo triangular (p q r). Si los órdenes de ramificación son iguales, se pueden agrupar como un exponente según la duración del ciclo entre paréntesis, como [(3,3,3,3)] = [3[4]], que representa el diagrama de Coxeter o . se puede representar como [3,(3,3,3)] o [3,3[3]].
Los diagramas de bucle más complicados también se pueden expresar utilizando la notación con cuidado. El grupo de Coxeter paracompacto se puede representar mediante la notación de Coxeter [(3,3,(3),3,3)], con paréntesis anidados/superpuestos que muestran dos bucles adyacentes [(3,3,3)], y también se representa de forma más compacta como [3[ ]×[ ]], que representa el diagrama de Coxeter de la simetría rómbica. El diagrama de gráfico completo paracompacto o , se representa como [3[3,3]] con el superíndice [3,3] como la simetría de su diagrama de Coxeter de un tetraedro.
El diagrama de Coxeter normalmente deja ramas de orden 2 sin dibujar, pero la notación de paréntesis incluye un 2 explícito para conectar los subgráficos. Entonces, el diagrama de Coxeter = A2×A2 = 2A2 se puede representar mediante [3]×[3] = [3]2 = [3,2,3 ]. A veces, las 2 ramas explícitas pueden incluirse con una etiqueta 2 o con una línea con un espacio: o , como una presentación idéntica a [3,2,3].
Para los grupos afines e hiperbólicos, el subíndice es uno menos que el número de nodos en cada caso, ya que cada uno de estos grupos se obtuvo sumando un nodo al diagrama de un grupo finito.
Subgrupos
La notación de Coxeter representa la simetría rotacional/traslacional agregando un operador de superíndice + fuera de los corchetes, [X]+ que corta el orden del grupo [X] a la mitad, resultando por lo tanto un subgrupo de índice 2. Este operador implica que se debe aplicar un número par de operadores, reemplazando reflexiones con rotaciones (o traslaciones). Cuando se aplica a un grupo de Coxeter, se denomina subgrupo directo porque lo que queda son solo isometrías directas sin simetría reflexiva.
Los operadores + también se pueden aplicar dentro de los corchetes, como [X,Y+] o [X,(Y,Z)+], con lo que se crean subgrupos "semidirectos" que pueden incluir generadores de reflexión y no de reflexión. Los subgrupos semidirectos solo se pueden aplicar a los subgrupos de grupos de Coxeter que tienen ramas de orden pares adyacentes. A los elementos entre paréntesis dentro de un grupo de Coxeter se les puede dar un operador de superíndice +, que tiene el efecto de dividir las ramas ordenadas adyacentes en medio orden, por lo que generalmente solo se aplica con números pares. Por ejemplo, [4,3+] y [4,(3,3)+] ().
Si se aplica con una rama impar adyacente, no crea un subgrupo de índice 2, sino que crea dominios fundamentales superpuestos, como [5,1+] = [5/2], que pueden definir polígonos doblemente recubiertos como la estrella pentagonal, 5 /2, y [5,3+] se relaciona con el triángulo de Schwarz [5/2,3], de densidad 2.
Ejemplos de grupos de rango 2
Grupo
Orden
Generadores
Subgrupo
Orden
Generadores
Notas
[p]
2p
{0,1}
[p]+
p
{01}
Subgrupo directo
[2p+]= [2p]+
2p
{01}
[2p+]+= [2p]+2= [p]+
p
{0101}
[2p]
4p
{0,1}
[1+,2p]= [p]
= =
2p
{101,1}
Semi subgrupos
[2p,1+]= [p]
= =
{0,010}
[1+,2p,1+]= [2p]+2= [p]+
= =
p
{0101}
Cuartos de grupo
Los grupos sin elementos vecinos + se pueden ver en los nodos anillados. El diagrama de Coxeter-Dynkin para politopos uniformes y panales está relacionado con los nodos agujero y con los elementos +, en forma de círculos vacíos con los nodos alternados eliminados. Por ejemplo, el cubo romo, tiene simetría [4,3]+ (), el icosaedro, tiene simetría [4,3+] (), y un tetraedro, h4,3 = 3,3 ( o = ) tiene simetría [1+,4,3] = [3,3] ( o = = ).
Nota: La simetría tetraédrica se puede escribir como , separando el gráfico con espacios para una mayor claridad, con los generadores 0,1,2 del grupo de Coxeter , produciendo generadores piritoédricos 0,12, una reflexión y rotación triple. Y la simetría tetraédrica quiral se puede escribir como o , [1+,4,3+] = [3,3]+, con generadores 12,0120.
Reducción a la mitad de subgrupos y grupos extendidos
Johnson extiende el operador + para trabajar con un marcador de posición de nodos 1+, lo que elimina espejos, duplicando el tamaño del dominio fundamental y cortando el orden del grupo a la mitad.[1] En general, esta operación solo se aplica a espejos individuales delimitados por ramas de orden par. El 1 representa un espejo, por lo que [2p] puede verse como [2p,1], [1,2p] o [1,2p,1], como el diagrama o , con 2 espejos relacionados por un ángulo diedro de orden 2p. El efecto de la eliminación de un espejo es duplicar los nodos de conexión, lo que se puede ver en los diagramas de Coxeter: = , o entre paréntesis: [1+,2p, 1] = [1,p,1] = [p].
Cada uno de estos espejos se puede quitar para que h[2p] = [1+,2p,1] = [1,2p,1+] = [p], con un índice de subgrupo reflexivo 2. Esto se puede mostrar en un diagrama de Coxeter agregando un símbolo + sobre el nodo: = = .
Si se eliminan ambos espejos, se genera un subgrupo de un cuarto, y el orden de la rama se convierte en un punto de giro de la mitad del orden:
q[2p] = [1+,2p,1+] = [p]+, un subgrupo rotacional de índice 4. = = = = .
Por ejemplo, (con p=2): [4,1+] = [1+,4] = [2] = [ ]×[ ], orden 4. [1+,4,1+] = [2] +, orden 2.
Lo opuesto a reducir a la mitad es duplicar,[2] una operación que agrega un espejo, divide en dos un dominio fundamental y duplica el orden del grupo.
[[p]] = [2p]
Las operaciones de reducción a la mitad se aplican a grupos de mayor rango, como por ejemplo la simetría tetraédrica que es un medio grupo de la simetría octaédrica: h[4,3] = [1+,4,3] = [3,3], eliminando la mitad de los espejos en las 4 ramas. El efecto de la eliminación de un espejo es duplicar todos los nodos de conexión, lo que se puede ver en los diagramas de Coxeter: = , h[2p,3] = [1+,2p,3] = [(p,3,3)] .
Si los nodos están indexados, la mitad de los subgrupos se pueden etiquetar con nuevos espejos como compuestos. Al igual que , los generadores {0,1} tienen un subgrupo = , con generadores {1,010}, donde se elimina el espejo 0 y se reemplaza por una copia del espejo 1 reflejada en el espejo 0. También dado , generadores {0,1,2}, tiene medio grupo = , con generadores {1,2,010}.
La duplicación mediante la adición de un espejo también se aplica al invertir la operación de reducción a la mitad: [[3,3]] = [4,3], o más generalmente [[(q,q,p)]] = [2p,q].
Subgrupos radicales
Johnson también agregó un operador asterisco o estrella * para subgrupos "radicales",[3] que actúa de manera similar al operador +, pero elimina la simetría rotacional. El índice del subgrupo radical es el orden del elemento eliminado. Por ejemplo, [4,3*] ≅ [2,2]. El subgrupo eliminado [3] es de orden 6, por lo que [2,2] es un subgrupo de índice 6 de [4,3].
Los subgrupos radicales representan la operación inversa a una operación simetría extendida. Por ejemplo, [4,3*] ≅ [2,2] y, al revés, [2,2] se puede extender como [3[2,2]] ≅ [4,3]. Los subgrupos se pueden expresar como un diagrama de Coxeter: o ≅ . El nodo eliminado (espejo) hace que los espejos virtuales adyacentes se conviertan en espejos reales.
Si [4,3] tiene generadores {0,1,2}, [4,3+], índice 2, tiene generadores {0,12}; [1+,4,3] ≅ [3,3], el índice 2 tiene generadores {010,1,2}; mientras que el subgrupo radical [4,3*] ≅ [2,2], índice 6, tiene generadores {01210, 2, (012)3}; y finalmente [1+,4,3*], el índice 12 tiene generadores {0(12)20, (012)201}.
Subgrupos triónicos
Un subgrupo triónico es un subgrupo de índice 3. Johnson define un "subgrupo triónico" con el operador ⅄, que indica el índice 3. Para los grupos Coxeter de rango 2, [3], el subgrupo triónico, [3⅄] es [ ], un solo espejo. Y para [3p], el subgrupo triónico es [3p]⅄ ? [p]. Dado , con generadores 0,1, tiene 3 subgrupos triónicos. Se pueden diferenciar poniendo el símbolo ? junto al generador de espejos a eliminar, o en una rama para ambos: [3p,1⅄] = = , = , y [3p ⅄] = = con generadores 0,10101, 01010,1 o 101,010.
Para los grupos de Coxeter de rango 3, [p,3], hay un subgrupo triónico [p,3⅄] ⅄ [p/2,p], o = . Por ejemplo, el grupo finito [4,3⅄] ≅ [2,4] y el grupo euclidiano [6,3⅄] ≅ [3,6] y el grupo hiperbólico [8,3⅄] ≅ [4,8].
Una rama adyacente de orden impar, p, no disminuirá el orden del grupo, sino que creará dominios fundamentales superpuestos. El orden del grupo permanece igual, mientras que su densidad aumenta. Por ejemplo, la simetría icosaédrica [5,3] del icosaedro regular, se convierte en [5/2,5], que es la simetría de 2 poliedros regulares en estrella. También relaciona las teselaciones hiperbólicas p,3 y teselados hiperbólicos estrellados p/2,p
Para el rango 4, [q,2p,3⅄] = [2p,((p,q,q))], = .
Por ejemplo, [3,4,3⅄] = [4,3,3], o = , generadores 0,1,2,3 en [3,4,3] con el subgrupo triónico [4,3 ,3] con generadores {0,1,2,32123}. Para grupos hiperbólicos, [3,6,3⅄] = [6,3[3]] y [4,4,3⅄] = [4,4,4].
Subgrupos triónicos de simetría tetraédrica
Johnson identificó dos subgrupos triónicos[4] de [3,3], primero un subgrupo de índice 3 [3,3]⅄ ≅ [2+,4], con [3,3] ( = = ) y generadores {0,1,2}. También se puede escribir como [(3,3,2⅄)] () como recordatorio de sus generadores {02,1}. Esta reducción de simetría es la relación entre el tetraedro regular y el disfenoide, y representan un estiramiento de un tetraedro en sentido perpendicular a dos aristas opuestas.
En segundo lugar, identifica un subgrupo de índice 6 relacionado con [3,3]Δ o [(3,3,2⅄)]+ (), índice 3 de [3,3]+ ≅ [2,2]+, con generadores {02,1021}, de [3,3] y sus generadores {0,1,2}.
Estos subgrupos también se aplican dentro de grupos de Coxeter más grandes con el subgrupo [3,3] con ramas vecinas, todo en orden uniforme.
Por ejemplo, [(3,3)+,4], [(3,3)⅄,4] y [(3,3)Δ,4] son subgrupos de [3,3,4], índice 2, 3 y 6 respectivamente. Los generadores de [(3,3)⅄,4] ≅ [[4,2,4]] ≅ [8,2+,8], orden 128, son {02,1,3} de [3,3,4] y generadores {0,1,2 ,3}. Y [(3,3)Δ,4] ≅ [[4,2+,4]], orden 64, tiene generadores {02,1021,3}. Además, [3⅄,4,3⅄] ≅ [(3,3)⅄,4].
También relacionado, [31,1,1] = [3,3,4,1+] tiene subgrupos triónicos: [31,1,1]⅄ = [(3,3)⅄,4,1+], orden 64 y 1=[31,1,1]Δ = [( 3,3)Δ,4,1+] ≅ [[ 4,2+,4]]+, orden 32.
Inversión central
Una simetría central de orden 2, es operativamente diferente por dimensión. El grupo [ ]n = [2n−1] representa n espejos ortogonales en un espacio n-dimensional, o un subespacio n-plano de un espacio dimensional superior. Los espejos del grupo [2n−1] están numerados . El orden de los espejos no importa en el caso de una inversión. La matriz de una inversión central es , la matriz Identidad con unos negativos en la diagonal.
A partir de esa base, la inversión central tiene un generador como producto de todos los espejos ortogonales. En la notación de Coxeter, este grupo de inversión se expresa agregando una alternancia + a cada rama de orden 2. La simetría de alternancia está marcada en los nodos del diagrama de Coxeter como nodos abiertos.
Un diagrama de Coxeter-Dynkin se puede marcar con ramas de orden 2 explícitas que definen una secuencia lineal de espejos, nodos abiertos y nodos abiertos dobles compartidos para mostrar el encadenamiento de los generadores de reflexión.
Por ejemplo, [2+,2] y [2,2+] son subgrupos de índice 2 de [2,2], , y se representan como (o ) y (o ) con generadores {01,2} y {0,12} respectivamente. Su índice de subgrupo común 4 es [2+,2+], y está representado por (o ), con el de doble apertura que marca un nodo compartido en las dos alternancias y un solo generador de rotación impropia {012}.
Las rotaciones y las rotorreflexiones se construyen mediante un único producto de generador único de todas las reflexiones de un grupo prismático, [2p]×[2q]×... donde el mcd(p ,q,...)=1. Son isomorfas al grupo cíclico abstracto Zn, de orden n=2pq.
Las dobles rotaciones de 4 dimensiones, [2p+,2+,2q+] (con mcd(p,q)=1), que incluyen un grupo central, y están expresados por Conway como ±[Cp×Cq],[5] de orden 2pq. Del diagrama de Coxeter , generadores {0,1,2,3}, requiere dos generadores para [2p+,2+,2q+], como {0123,0132}. Los grupos mitad, [2p+,2+,2q+]+, o el gráfico cíclico, [(2p+,2+,2q+,2+)], expresados por Conway son [Cp×Cq], orden pq, con un generador, como {0123}.
Si hay un factor común f, la rotación doble se puede escribir como 1⁄f[2pf+,2+,2qf+] (con mcd(p,' 'q)=1), generadores {0123,0132}, y orden 2pqf. Por ejemplo, p=q=1, f=2, 1⁄2[4+,2+,4+] es de orden 4. Y 1⁄f[2pf+,2+, 2qf+]+, generador 0123, es de orden pqf. Por ejemplo, 1⁄2[4+,2+,4+]+ es de orden 2, una simetría central.
En general, un grupo de rotación n, [2p1+,2,2p2+,2,...,pn+] puede requerir hasta n generadores si el mcd(p1,..,pn)>1, como producto de todos los espejos, y luego intercambiando pares secuenciales. El medio grupo, [2p1+,2,2p2+,2,...,pn+]+ tiene generadores al cuadrado. Los reflejos n-rotativos son similares.
Los grupos simples con solo elementos de ramificación de orden impar tienen solo un único subgrupo rotacional/traslacional de orden 2, que también es el subgrupo conmutador, ejemplos [3,3]+, [3,5]+, [3,3,3]+, [3,3,5]+. Para otros grupos de Coxeter con ramas de orden par, el subgrupo conmutador tiene un índice 2c, donde c es el número de subgráficos desconectados cuando se eliminan todas las ramas de orden par.[6]
Por ejemplo, [4,4] tiene tres nodos independientes en el diagrama de Coxeter cuando se eliminan los valores 4, por lo que su subgrupo conmutador es el índice 23 y puede tener diferentes representaciones, todas con tres + Operadores: [4+,4+]+, [1+,4,1+,4,1+], [1+,4,4,1+]+, o [(4+,4+,2+)]. Se puede usar una notación general con +c como exponente de grupo, como [4,4]+3.
Subgrupos de ejemplo
Subgrupos de ejemplo de rango 2
Los grupos diedrales con órdenes pares tienen varios subgrupos. Este ejemplo muestra dos espejos generadores del grupo [4] en rojo y verde, y observa todos los subgrupos por reducción a la mitad, reducción de rango y sus subgrupos directos. El grupo [4], tiene dos generadores de espejos 0 y 1. Cada uno genera dos espejos virtuales 101 y 010 por reflexión sobre el otro.
El grupo [4,4] tiene 15 subgrupos de índices pequeños. Esta tabla los muestra todos, con un dominio fundamental amarillo para grupos reflectantes puros y dominios blancos y azules alternos que se emparejan para formar dominios rotacionales. Las líneas especulares cian, roja y verde corresponden a los mismos nodos de color en el diagrama de Coxeter. Los generadores de subgrupos se pueden expresar como productos de los 3 espejos originales del dominio fundamental, {0,1,2}, correspondientes a los 3 nodos del diagrama de Coxeter, . Un producto de dos líneas de reflexión que se cruzan forman una rotación, como {012}, {12} o {02}. La eliminación de un espejo genera dos copias de los espejos vecinos, a través del espejo eliminado, como {010} y {212}. Dos rotaciones en serie reducen el orden de rotación a la mitad, como {0101} o {(01)2}, {1212} o {(02)2}. Un producto de los tres espejos crea una reflexión deslizada, como {012} o {120}.
En el plano euclídeo, el grupo de Coxeter , [3[3]] se puede extender de dos formas al grupo de Coxeter , [6,3] y relaciona teselas uniformes como diagramas de anillos.
La notación de Coxeter incluye la notación de corchetes dobles, [[X]] para expresar la simetría automórfica dentro de un diagrama de Coxeter. Johnson agregó la duplicación alternativa mediante una notación entre ángulos <[X]>. Además, agregó un modificador de simetría de prefijo [Y[X]], donde Y puede representar la simetría del diagrama de Coxeter de [X] o la simetría del dominio fundamental de [X].
Por ejemplo, en 3D estos diagramas de geometría equivalentes rectangular y rómbico de toman las formas: y , el primero duplicado entre corchetes, [[3[4]]] o duplicado dos veces como [2[3[4]]], con [2], simetría de orden 4 superior. Para diferenciar el segundo, se utilizan paréntesis angulares para doblar, <[3[4]]> y doblar dos veces como <2[3[4]]>, también con una simetría [2] diferente, de orden 4. Finalmente, una simetría completa donde los 4 nodos son equivalentes se puede representar mediante [4[3[4]]], con la simetría de orden 8, [4] del cuadrado. Pero al considerar el dominio fundamental del disfenoide, la simetría [4] extendida del gráfico cuadrado se puede marcar más explícitamente como [(2+,4)[3[4]]] o [2+,4[3[4]]].
Existe más simetría en los diagramas cíclico y , y de ramificación. tiene una simetría de orden 2n de un n-ágono regular, {n}, y está representado por [n[3[n]]]. y están representados por [3[31,1,1]]= [3,4,3] y [3[32,2,2]] respectivamente mientras que por [(3,3)[31,1,1,1]]= [3,3,4,3 ], con el diagrama que contiene la simetría de orden 24 del tetraedro regular, {3,3}. El grupo hiperbólico paracompacto = [31,1,1,1,1], , contiene la simetría de un pentácoron, {3,3,3}, y por lo tanto está representado por [(3,3,3)[31,1,1,1,1]]= [3,4, 3,3,3].
Un superíndice asterisco * es efectivamente una operación inversa, creando "subgrupos radicales" eliminando espejos conectados de orden impar.[7]
Ejemplos:
Ejemplos de grupos extendidos y subgrupos radicales
En cuanto a los generadores, se considera que la doble simetría agrega un nuevo operador que aplica posiciones simétricas en el diagrama de Coxeter, lo que hace que algunos generadores originales sean redundantes. Para el grupo espacial 3D y los grupos de puntos 4D, Coxeter define un subgrupo de índice dos de [[X]], [[X]+], que define como el producto de los generadores originales de [X] por el generador de duplicación. Esto se parece a [[X]]+, que es el subgrupo quiral de [[X]]. Por ejemplo, los grupos espaciales 3D [[4,3,4]]+ (I432, 211) y [[4,3,4]+] (Pm3n,
223) son subgrupos distintos de [[4,3,4]] (Im3m, 229).
En una dimensión, el grupo bilateral [ ] representa una simetría de un solo espejo, abstracta Dih1 o Z2, una simetría de orden 2. Se representa como un diagrama de Coxeter-Dynkin con un solo nodo, . El grupo identidad es el subgrupo directo [ ]+, Z1, con orden de simetría 1. El superíndice + simplemente implica que se ignoran los reflejos alternativos del espejo, dejando el grupo de identidad en este caso más simple. Coxeter usó un solo nodo abierto para representar una alternancia, .
En dos dimensiones, el grupo rectangular [2], abstracto D22 o D4, también se puede representar como un producto directo [ ]×[ ], siendo el producto de dos grupos bilaterales, representado por dos espejos ortogonales, con diagrama de Coxeter , con orden 4. El 2 en [2] proviene de la linealización de los subgrafos ortogonales en el diagrama de Coxeter, como con orden de ramificación explícito 2. El grupo rómbico, [2]+ ( o ), la mitad del grupo rectangular, es la simetría simetría central, Z2 de orden 2.
La notación de Coxeter permite un marcador de posición 1 para grupos de menor rango, por lo que [1] es lo mismo que [ ], y [1+] o [1]+ es lo mismo que [ ]+ con el diagrama de Coxeter .
El grupo p-gonal completo [p], abstracto diédrico D2p, (no abeliano para p>2), de orden 2p, es generado por dos espejos en ángulo π/p, representados por el diagrama de Coxeter . El subgrupo p-agonal [p]+, es el grupo cíclicoZp de orden p, generado por un ángulo de rotación de π/p.
La notación de Coxeter utiliza corchetes dobles para representar una "duplicación" de simetría automórfica al agregar un espejo bisectriz al dominio fundamental. Por ejemplo, [[p]] agrega un espejo bisectriz a [p] y es isomorfo a [2p].
En el límite, bajando a una dimensión, se obtiene el grupo completo apeirogonal cuando el ángulo llega a cero, por lo que [∞], en abstracto, el grupo diedro infinito D∞, representa dos espejos paralelos y tiene un diagrama de Coxeter . El grupo apeirogonal [∞]+, , de forma abstracta el grupo cíclico infinito Z∞, isomórfico al grupo aditivo de los números enteros, se genera mediante una única traslación distinta de cero.
En el plano hiperbólico, hay un grupo completo apeirogonal [iπ/λ] y un subgrupo pseudogonal [iπ/λ]+, . Estos grupos existen en polígonos regulares de infinitos lados, con longitud de arista λ. Los espejos son todos ortogonales a una sola línea recta.
Ejemplos de simetrías finitas e hiperbólicas de rango 2
Las líneas especulares están coloreadas para corresponder a los nodos del diagrama de Coxeter. Los dominios fundamentales están coloreados alternativamente.
Imágenes pares (directas)
...
Imágenes impares (inversas)
Coxeter
[ ]+
[2]+
[3]+
[4]+
[p]+
[∞]+
[∞]+
[iπ/λ]+
Orden
1
2
3
4
p
∞
Los subgrupos cíclicos representan reflexiones alternas, todas imágenes son pares (directas).
En tres dimensiones, el grupo ortorrómbico completo u ortorrectangular [2,2], de forma abstracta Z23, de orden 8, representa tres espejos ortogonales (también representados por el diagrama de Coxeter como tres puntos separados ). También se puede representar como el producto directo [ ]×[ ]×[ ], pero la expresión [2,2] permite definir subgrupos:
Primero hay un subgrupo "semidirecto", el grupo ortorrómbico, [2,2+] ( o ), abstractamente Z2×Z2, de orden 4. Cuando el superíndice + se encuentra dentro de los corchetes, lo que significa que los reflejos generados solo por los espejos adyacentes (como se define en el diagrama de Coxeter, ) se alternan. En general, las órdenes de rama vecinas al nodo + deben ser pares. En este caso [2,2+] y [2+,2] representan dos subgrupos isomorfos que son geométricamente distintos. Los otros subgrupos son el grupo pararrómbico [2,2]+ ( o ), también de orden 4, y finalmente el grupo central [2+,2+] ( o ) de orden 2.
Luego está el grupo orto-p-gonal completo, [2,p] (), abstractamente Z2×D2p, de orden 4p, que representa dos espejos en un ángulo diedro π/p, y ambos son ortogonales a un tercer espejo. También está representado por el diagrama de Coxeter como .
El subgrupo directo se denomina grupo para-p-gonal, [2,p]+ ( o ), en abstracto D2p, de orden 2p, y otro subgrupo es [2,p+] () en abstracto Z2 ×Zp, también de orden 2p.
El grupo giro-p-gonal completo, [2+,2p] ( o ), en abstracto D4p y de orden 4p. El grupo giro-p-gonal, [2+,2p+] ( o ), abstractamente Z2p, de orden 2p, es un subgrupo de [2+,2 p] y de [2,2p+].
En todas estas simetrías, los reflejos alternos se pueden eliminar produciendo los grupos rotacionales tetraédricos [3,3]+(), octaédricos [3,4]+ () e icosaédricos [3,5]+ () de orden 12, 24 y 60. El grupo octaédrico también tiene un subgrupo único de índice 2 llamado grupo de simetría tetraédrica, [3+,4] ( o ), de orden 12, con una mezcla de simetría rotacional y de reflexión. La simetría piritoédrica también es un subgrupo de índice 5 de simetría icosaédrica: → , con un espejo virtual 1 a través de 0, {010} y rotación triple {12}.
El grupo tetraédrico, [3,3] (), tiene un [[3,3]] duplicado (que se puede representar con nodos coloreados ), aplicando el primer y el último espejo entre sí, se produce el [3,4] ( o grupo ). El subgrupo [3,4,1+] ( o ) es igual a [3,3] y [3+,4,1+] ( o ) es igual a [3,3]+.
Ejemplo de árboles de subgrupos de grupos finitos de Coxeter de rango 3
En el plano euclídeo hay 3 grupos fundamentales de reflexión generados por 3 espejos, representados por los diagramas de Coxeter , y , y reciben la notación de Coxeter como [4,4], [6,3] y [(3,3, 3)]. Los paréntesis del último grupo implican el ciclo del diagrama y también tiene una notación abreviada, [3[3]].
[[4,4]], como una duplicación del grupo [4,4], produce la misma simetría girada π/4 desde el conjunto original de espejos.
Los subgrupos directos de simetría rotacional son: [4,4]+, [6,3]+ y [(3,3,3)]+. [4+,4] y [6,3+] son subgrupos semidirectos.
Grupos duoprismáticos extendidos, [p]×[p] o [p,2,p] o , expresados en relación con su simetría de dominio fundamental disfenoide.
Los grupos de rango cuatro definen los grupos duoprismáticos de 4 dimensiones. En el límite, cuando p y q tienden a infinito, degeneran en 2 dimensiones y se convierten en los grupos del papel pintado.
Los grupos de rango cuatro también definen algunos de los grupos del papel pintado bidimensionales, como casos límite de los grupos de duoprismas de cuatro dimensiones:
En , un grupo de Shephard de rango 1 , orden p, se representa como p[ ], [ ]p o ]p[. Tiene un solo generador, representando una rotación de 2π/p radianes en el plano complejo: .
Coxeter anota el grupo complejo de rango 2, p[q]r y lo representa mediante el diagrama de Coxeter-Dynkin. La p y la r solo deben suprimirse si ambas son 2, que es el caso real [q]. El orden de un grupo de rango 2 p[q]r es .[9]
Las soluciones de rango 2 que generan polígonos complejos son: p[4]2 (p es 2,3,4,...), 3[3]3, 3[6]2, 3[4]3, 4[3]4, 3[8]2, 4 (045)[6]2, 4[4]3, 3[5]3, 5[3]5, 3 )[10]2, 5[6]2 y 5[4]3 con diagramas de Coxeter , , , , , , , , , , , , .
Los grupos infinitos son 3[12]2, 4[8]2, 6[6]2, 3[6]3, 6[4]3, 4[4]4 y 6[3]6 o , , , , , , .
Los subgrupos de índice 2 existen al eliminar un reflejo real: p[2q]2 → p[q]p. También existen subgrupos de índice r para 4 ramas: p[4]r → p[r]p.
Para la familia infinita p[4]2, para cualquier p= 2, 3, 4,..., hay dos subgrupos: p[4]2 → [p], índice p, while y p[4]2 → p[ ]×p[ ], índice 2.
Cálculo con matrices de reflexión como generadores de simetría
Un grupo de Coxeter, representado por el diagrama de Coxeter-Dynkin, recibe la notación de Coxeter [p,q] según los órdenes de las ramas. Cada nodo en el diagrama de Coxeter representa un espejo, por convención llamado ρi (y matriz Ri). Los generadores de este grupo [p,q] son reflexiones: ρ0, ρ1 y ρ2. La subsimetría rotacional se define como producto de reflexiones: por convención, σ0,1 (y la matriz S0,1)= ρ0ρ1 representa una rotación del ángulo Π/p, y σ1,2= ρ1ρ2 es una rotación del ángulo Π/q, y σ0,2= ρ0ρ2 representa una rotación según un ángulo de Π/2.
[p,q]+, , es un subgrupo de índice 2 representado por dos generadores de rotación, cada uno de los cuales es producto de dos reflexiones: σ0,1, σ1,2, y representa rotaciones según los ángulos Π/p y Π/q respectivamente.
Con una rama par, [p+,2q], o , es otro subgrupo de índice 2, representado por el generador de rotación σ0,1, y el de reflexión ρ2.
Con ramas pares, [2p+,2q+], , es un subgrupo de índice 4 con dos generadores, construido como un producto de las tres matrices de reflexión. Por convención, como ψ0,1,2 y ψ1,2,0, que son rotorreflexiones, que representan una reflexión y una rotación o reflexión.
En el caso de grupos afines de Coxeter como o , un espejo, generalmente el último, se traslada fuera del origen. Un generador traslación t0,1 (y una matriz T0,1) se construyen como el producto de dos (o un número par de) reflejos, incluido el reflejo afín. Un reflexión deslizada (reflexión más traslación) puede ser el producto de un número impar de reflexiones f0,1,2 (y matriz V0,1,2), como el subgrupo de índice 4 : [4+,4+]= .
Otro generador compuesto, por convención como ζ (y matriz Z), representa la inversión, asignando un punto a su inversa. Para [4,3] y [5,3], ζ = (ρ0ρ1ρ2)h/2, donde h es 6 y 10 respectivamente, el número de Coxeter para cada familia. Para el grupo de Coxeter 3D [p,q] (), este subgrupo es una rotorreflexión [2+,h+].
Los grupos de Coxeter se clasifican por su rango, siendo el número de nodos en su diagrama de Coxeter. La estructura de los grupos también se proporciona con sus tipos de grupos abstractos: en este artículo, los grupos diédricos abstractos se representan como Dihn, y los grupos cíclicos se representan como Zn, con Dih1 =Z2.
Por ejemplo, en 2D, el grupo de Coxeter [p] () está representado por dos matrices de reflexión R0 y R1, la simetría cíclica [p]+ () está representada por el generador de rotación de la matriz S0,1.
[p],
Reflexiones
Rotación
Nombre
R0
R1
S0,1=R0×R1
Orden
2
2
p
Matriz
[2],
Reflexiones
Rotación
Nombre
R0
R1
S0,1=R0×R1
Orden
2
2
2
Matriz
[3],
Reflexiones
Rotación
Nombre
R0
R1
S0,1=R0×R1
Orden
2
2
3
Matriz
[4],
Reflexiones
Rotación
Nombre
R0
R1
S0,1=R0×R1
Orden
2
2
4
Matriz
[6],
Reflexiones
Rotación
Nombre
R0
R1
S0,1=R0×R1
Orden
2
2
6
Matriz
[8],
Reflexiones
Rotación
Nombre
R0
R1
S0,1=R0×R1
Orden
2
2
8
Matriz
Rango 3
Los grupos de Coxeter de rango finito 3 son [1,p], [2,p], [3,3], [3,4] y [3,5].
Para reflejar un punto a través de un plano (que pasa por el origen), se puede usar , donde es la matriz identidad 3×3 y es el vector unitario tridimensional para el vector normal del plano. Si la norma de y es la unidad, la matriz de transformación se puede expresar como:
[p,2]
El grupo de reflexión finito tridimensional reducible es el grupo diedro, [p,2], de orden 4p, . Los generadores de reflexión son las matrices R0, R1, R2. R02=R12=R22=(R0×R1)3=(R1×R2)3=(R0×R2)2=Identidad. [p,2]+ () se genera mediante 2 de 3 rotaciones: S0,1, S1,2 y S0,2. Una rotorreflexión de orden p es generada por V0,1,2, el producto de las 3 reflexiones.
[p,2],
Reflexiones
Rotación
Rotorreflexión
Nombre
R0
R1
R2
S0,1
S1,2
S0,2
V0,1,2
Grupo
Orden
2
2
2
p
2
2p
Matriz
[3,3]
El grupo de reflexión finito tridimensional irreducible más simple es el de simetría tetraédrica, [3,3], y de orden 24, . Los generadores de reflexión, a partir de una construcción D3=A3, son las matrices R0, R1, R2. R02=R12=R22=(R0×R1)3=(R1×R2)3=(R0×R2)2=Identidad. [3,3]+ () se genera mediante 2 de 3 rotaciones: S0,1, S1,2 y S0,2. Un trionic subgroup, isomorfo a [2+,4], orden 8, es generado por S0,2 y R1. Una rotorreflexión de orden 4 se genera mediante V0,1,2, el producto de las 3 reflexiones.
[3,3],
Reflexiones
Rotaciones
Rotorreflexión
Nombre
R0
R1
R2
S0,1
S1,2
S0,2
V0,1,2
Grupo
Orden
2
2
2
3
2
4
Matriz
(0,1,−1)n
(1,−1,0)n
(0,1,1)n
(1,1,1)axis
(1,1,−1)axis
(1,0,0)axis
[4,3]
Otro grupo de reflexión finito tridimensional irreducible es el de simetría octaédrica, [4,3], de orden 48, . Las matrices de reflexión generadoras son R0, R1, R2. R02=R12=R22=(R0×R1)4=(R1×R2)3=(R0×R2)2=Identidad. La simetría octaédrica quiral, [4,3]+, () se genera mediante 2 de 3 rotaciones: S0,1, S1,2 y S0,2. La simetría tetraédrica [4,3+], () se genera mediante la reflexión R0 y la rotación S1,2. Una rotorreflexión de orden 6 es generada por V0,1,2, el producto de las 3 reflexiones.
[4,3],
Reflexiones
Rotaciones
Rotorreflexión
Nombre
R0
R1
R2
S0,1
S1,2
S0,2
V0,1,2
Grupo
Orden
2
2
2
4
3
2
6
Matriz
(0,0,1)n
(0,1,−1)n
(1,−1,0)n
(1,0,0)axis
(1,1,1)axis
(1,−1,0)axis
[5,3]
El grupo de reflexión finito tridimensional irreducible final es el de la simetría icosaédrica, [5,3], y de orden 120, . Las matrices generadoras de reflexión son R0, R1, R2. R02=R12=R22=(R0×R1)5=(R1×R2)3=(R0×R2)2=Identidad. [5,3]+ () se genera mediante 2 de 3 rotaciones: S0,1, S1,2 y S0,2. Una rotorreflexión de multiplicidad 10 se genera mediante V0,1,2, el producto de las 3 reflexiones.
Hay 4 Grupo de Coxeter irreducibles en 4 dimensiones: [3,3,3], [4,3,3], [31,1,1], [3,4,4], [5,3,3], así como una familia infinita de grupos duoprismáticos [p,2,q].
[p,2,q]
El grupo duoprismático, [p,2,q], tiene orden 4pq.
[p,2,q],
Reflexiones
Nombre
R0
R1
R2
R3
Grupo
Orden
2
2
2
2
Matriz
[[ p,2,p]]
El grupo duoprismático puede duplicarse en orden, hasta 8p2, con una rotación de 2 veces entre los dos planos.
[[ p,2,p]],
Rotación
Reflexiones
Nombre
T
R0
R1
R2=TR1T
R3=TR0T
Grupo
Orden
2
2
2
Matriz
[3,3,3]
La simetría hipertetraédrica, [3,3,3], con orden 120, es más fácil de representar con 4 espejos en 5 dimensiones, como un subgrupo de [4,3,3,3].
[3,3,3],
Reflexiones
Rotaciones
Rotorreflexiones
Rotación doble
Nombre
R0
R1
R2
R3
S0,1
S1,2
S2,3
S0,2
S1,3
S2,3
V0,1,2
V0,1,3
W0,1,2,3
Grupo
Orden
2
2
2
2
3
2
4
6
5
Matriz
(0,0,0,1,-1)n
(0,0,1,−1,0)n
(0,1,−1,0,0)n
(1,−1,0,0,0)n
[[3,3,3]]
El grupo extendido [[3,3,3]], de orden 240, se duplica mediante una matriz de rotación T de multiplicidad 2, aquí invirtiendo el orden de las coordenadas y el signo: Hay 3 generadores {T, R0, R1}. Dado que T es autorrecíproco R3=TR0T, y R2=TR1T.
[[3,3,3]],
Rotación
Reflexiones
Nombre
T
R0
R1
TR1T=R2
TR0T=R3
Grupo
Orden
2
2
2
2
2
Matriz
(0,0,0,1,-1)n
(0,0,1,−1,0)n
(0,1,−1,0,0)n
(1,−1,0,0,0)n
[4,3,3]
Un grupo de reflexión finito de 4 dimensiones irreducible es un grupo hiperoctaédrico (o grupo hexadecacórico (para el hexadecacoron), B4=[4,3,3], de orden 384, . Las matrices generadoras de las operaciones de reflexión son R0, R1, R2, R3. R02=R12 =R22=R32=(R0×R1)4=(R1×R2)3=(R2×R3)3=(R0×R2)2=(R1×R3)2=(R0×R3)2=Identidad.
La simetría hiperoctaédrica quiral, [4,3,3]+, () se genera mediante 3 de 6 rotaciones: S0,1, S1,2, S2,3, S0,2, S1,3 y S0,3.La simetría hiperpiritoédrica [4,(3,3)+], () se genera mediante la reflexión R0 y las rotaciones S1,2 y S2,3. Las rotaciones en el espacio euclídeo 4-dimensional genera un W0,1,2,3 de multiplicidad 8, el producto de las 4 reflexiones.
[4,3,3],
Reflexiones
Rotaciones
Rotorreflexión
Rotación doble
Nombre
R0
R1
R2
R3
S0,1
S1,2
S2,3
S0,2
S1,3
S0,3
V1,2,3
V0,1,3
V0,1,2
V0,2,3
W0,1,2,3
Grupo
Orden
2
2
2
2
4
3
2
4
6
8
Matriz
(0,0,0,1)n
(0,0,1,−1)n
(0,1,−1,0)n
(1,−1,0,0)n
[3,31,1]
Un medio grupo de [4,3,3] es [3,31,1], , de orden 192. Comparte 3 generadores con el grupo [4,3,3], pero tiene dos copias de un generador adyacente, uno reflejado en el espejo eliminado.
[3,31,1],
Reflexiones
Nombre
R0
R1
R2
R3
Grupo
Orden
2
2
2
2
Matriz
(1,−1,0,0)n
(0,1,−1,0)n
(0,0,1,−1)n
(0,0,1,1)n
[3,4,3]
Un grupo reflexivo finito de 4 dimensiones irreducible es el grupo icositetracórico (para el icositetracoron), F4=[3,4,3], de orden 1152, . Las matrices generadoras de reflexión son R0, R1, R2, R3. R02=R12=R22=R32=(R0×R1)3=(R1×R2)4=(R2×R3)3=(R0×R2)2=(R1×R3)2=(R0×R3)2= Identidad.
La simetría icositetracórica quiral, [3,4,3]+, () se genera mediante 3 de 6 rotaciones: S0,1, S1,2, S2,3, S0,2, S1,3 y S0,3. El grupo icósico disminuido [3,4,3+] () es generado por la reflexión R0 y las rotaciones S1,2 y S2,3. Las rotaciones en el espacio euclídeo 4-dimensional generan un W0,1,2,3 de multiplicidad 12, el producto de las 4 reflexiones.
[3,4,3],
Reflexiones
Rotaciones
Nombre
R0
R1
R2
R3
S0,1
S1,2
S2,3
S0,2
S1,3
S0,3
Grupo
Orden
2
2
2
2
3
4
3
2
Matriz
(1,−1,0,0)n
(0,1,−1,0)n
(0,0,1,0)n
(−1,−1,−1,−1)n
[3,4,3],
Rotoreflection
Rotación doble
Nombre
V1,2,3
V0,1,3
V0,1,2
V0,2,3
W0,1,2,3
Grupo
Orden
6
12
Matriz
[[3,4,3]]
El grupo [[3,4,3]] extiende [3,4,3] por una rotación de multiplicidad 2, T, duplicando su orden a 2304.
La simetría hipericosaédrica, [5,3,3], de orden 14400, se representa como . Las matrices generadoras de reflexión son R0, R1, R2, R3. R02=R12=R22=R32=(R0×R1)5=(R1×R2)3=(R2×R3)3=(R0×R2)2=(R0×R3)2=(R1×R3)2= Identidad. [5,3,3]+ () se genera mediante 3 rotaciones: S0,1= R0×R1, S1,2= R1×R2, S2,3= R2×R3, etc.
[5,3,3],
Reflexiones
Nombre
R0
R1
R2
R3
Grupo
Orden
2
2
2
2
Matriz
(1,0,0,0)n
(φ,1,φ−1,0)n
(0,1,0,0)n
(0,−1,φ,1−φ)n
Rango 8
[34,2,1]
El grupo E8 de Coxeter, [34,2,1], , tiene 8 nodos espejo, y su orden es de 696729600 (192x10!). E7 y E6, [33,2,1], y [32,2,1], se pueden construir ignorando el primer espejo o los dos primeros espejos, respectivamente.
E8=[34,2,1],
Reflexiones
Nombre
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
Grupo
Orden
2
2
2
2
2
2
2
2
Matriz
(1,-1,0,0,0,0,0,0)n
(0,1,-1,0,0,0,0,0)n
(0,0,1,-1,0,0,0,0)n
(0,0,0,1,-1,0,0,0)n
(0,0,0,0,1,-1,0,0)n
(0,0,0,0,0,1,-1,0)n
(0,0,0,0,0,1,1,0)n
(1,1,1,1,1,1,1,1)n
Grupo afín de rango 2
Las matrices afines se representan agregando una fila y una columna adicionales, siendo la última fila cero excepto la última entrada 1. La última columna representa un vector de traslación.
[∞]
El grupo afín [∞], , puede estar dada por dos matrices de reflexión, x=0 y x=1.
El grupo afín [4,4], , (p4m), puede estar dado por tres matrices de reflexión, reflexiones sobre el eje x (y=0), una diagonal (x=y) y la reflexión afín sobre la línea recta (x=1). [4,4]+ () (p4) es generado por S0,1 S1,2 y S0,2. [4+,4+] () (pgg) se genera mediante la rotación doble S0,2 y una reflexión deslizada (transrreflexión) V0,1,2. [4+,4] () (p4g) es generado por S0,1 y R3. El grupo [(4,4,2+)] () (cmm), se genera mediante la rotación doble S1,3 y la reflexión R2.
El grupo afín [3,6], , (p6m), puede estar dado por tres matrices de reflexión, reflexiones en el eje x (y=0), la línea recta y=(√3/2)x, y la línea recta vertical x=1.
El grupo afín [3[3]] se puede construir como un medio grupo de . R2 se reemplaza por R'2= R2×R1×R2, representado por el hiperplano: y+(√3/2)x=2. El dominio fundamental es un triángulo equilátero con longitud de arista 2.
El grupo afín es [4,3,4] (), y puede estar dado por cuatro matrices de reflexión. El espejo R0 se puede colocar en el plano z=0. El espejo R1 se puede colocar en el plano y=z. El espejo R2 se puede colocar en el plano x=y. El espejo R3 se puede colocar en el plano x=1. [4,3,4]+ () es generado por S0,1, S1,2 y S2,3.
El grupo extendido [[ 4,3,4]] duplica el orden del grupo, sumando una matriz de rotación doble T, con un eje fijo a través de los puntos (1,1/2,0) y (1/2,1/2,1/2). Los generadores son {R0,R1,T}. R2= T×R1×T y R3= T×R0×T.
El grupo [4,31,1] se puede construir a partir de [4,3,4], calculando [4,3,4,1+], , como R'3=R3×R2×R3, con el nuevo R'3 como una imagen de R2 a través de R3.
El grupo [3[4]] se puede construir a partir de [4,3,4], eliminando el primer y el último espejo, [1+,4,3,4,1+], , mediante R'1=R0×R1×R0 y R '3=R3×R2×R3.
↑Coxeter and Moser, 1980, Sec 9.5 Commutator subgroup, p. 124–126
↑Johnson, Norman W.; Weiss, Asia Ivić (1999). «Quaternionic modular groups». Linear Algebra and Its Applications295 (1–3): 159-189. doi:10.1016/S0024-3795(99)00107-X.
↑The Crystallographic Space groups in Geometric algebra, D. Hestenes and J. Holt, Journal of Mathematical Physics. 48, 023514 (2007) (22 pages) PDF[1]Archivado el 20 de octubre de 2020 en Wayback Machine.
↑Coxeter, Regular Complex Polytopes, 9.7 Two-generator subgroups reflections. pp. 178–179
Kaleidoscopes: Selected Writings of H.S.M. Coxeter, editied by F. Arthur Sherk, Peter McMullen, Anthony C. Thompson, Asia Ivic Weiss, Wiley-Interscience Publication, 1995, ISBN978-0-471-01003-6[2]
John H. Conway and Derek A. Smith, On Quaternions and Octonions, 2003, ISBN978-1-56881-134-5
The Symmetries of Things 2008, John H. Conway, Heidi Burgiel, Chaim Goodman-Strass, ISBN978-1-56881-220-5 Ch.22 35 prime space groups, ch.25 184 composite space groups, ch.26 Higher still, 4D point groups