La simetría icosaédrica[1] (también denominada simetría icosaedral o simetría del icosaedro) es el conjunto de propiedades reflexivas de aquellas figuras del espacio tridimensional que poseen las 60 simetrías rotacionales (o que conservan la orientación) y un orden de simetría de 120, incluidas las transformaciones que combinan una reflexión y una rotación, que son propias de un icosaedro regular. Tanto el dodecaedro regular (dual del icosaedro) como el triacontaedro rómbico tienen el mismo conjunto de simetrías.
El conjunto de simetrías que conservan la orientación forma un subgrupo que es isomorfo al grupo A5 (el grupo alternante de 5 letras).
Como grupo de puntos
Aparte de las dos series infinitas de simetría prismática y antipismática, la simetría icosaédrica rotacional o simetría icosaédrica quiral de objetos quirales y la simetría icosaédrica completa o simetría icosaédrica aquiral son las simetrías de puntos discretos (o equivalentemente, simetrías en la esfera) con los grupos de simetrías más grandes.
El grupo contiene 5 versiones de Th con 20 versiones de D3 (10 ejes, 2 por eje) y 6 versiones de D5.
El grupo icosaédrico completoIh tiene orden 120. Tiene a I como subgrupo normal de índice 2. El grupo Ih es isomorfo a I×Z2, o A5 ×Z2, con inversión en el centro correspondiente al elemento (identidad, -1), donde Z2 se escribe multiplicativamente.
Ih actúa sobre el compuesto de cinco cubos y el compuesto de cinco octaedros, pero −1 actúa como identidad (ya que los cubos y los octaedros son centralmente simétricos). Actúa sobre el compuesto de diez tetraedros: I actúa sobre las dos mitades quirales (compuestos de cinco tetraedros), y −1 intercambia las dos mitades.
En particular, no actúa como S5, y estos grupos no son isomorfos; véase más abajo para más detalles.
El grupo contiene 10 versiones de D3d y 6 versiones de D5d (simetrías como antiprismas).
I también es isomorfo a PSL2 (5), pero Ih no es isomorfo a SL2(5).
Las aristas de un compuesto de cinco octaedros esférico representan los 15 planos de espejo como círculos máximos de colores. Cada octaedro puede representar 3 planos de espejo ortogonales por sus bordes.
La simetría piritoédrica es un subgrupo de índice 5 de la simetría icosaédrica, con 3 líneas de reflexión verdes ortogonales y 8 puntos de giro de orden 3 en rojo. Hay 5 orientaciones diferentes de simetría piritoédrica.
Isomorfismo de I con A5
Es útil describir explícitamente cómo se ve el isomorfismo entre I y A5. En la siguiente tabla, las permutaciones Pi y iX actúan sobre 5 y 12 elementos respectivamente, mientras que las matrices de rotación Mi son los elementos de I. Si Pk es el producto de tomar la permutación Pi y aplicarle Pj, entonces para los mismos valores de i, j y k, también es cierto que kX es el producto de tomar iX y aplicar jX, y también que premultiplicar un vector por Mk es lo mismo que premultiplicar ese vector por Mi y luego premultiplicar ese resultado con Mj, es decir, Mk = Mj × Mi. Dado que las permutaciones Pi son las 60 permutaciones pares de 12345, la correspondencia uno a uno se hace explícita, y por lo tanto, el isomorfismo también.
Matriz de rotación
Permutación de 5 sobre 1 2 3 4 5
Permutación de 12 sobre 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
= ()
= ()
= (3 4 5)
= (1 11 8)(2 9 6)(3 5 12)(4 7 10)
= (3 5 4)
= (1 8 11)(2 6 9)(3 12 5)(4 10 7)
= (2 3)(4 5)
= (1 12)(2 8)(3 6)(4 9)(5 10)(7 11)
= (2 3 4)
= (1 2 3)(4 5 6)(7 9 8)(10 11 12)
= (2 3 5)
= (1 7 5)(2 4 11)(3 10 9)(6 8 12)
= (2 4 3)
= (1 3 2)(4 6 5)(7 8 9)(10 12 11)
= (2 4 5)
= (1 10 6)(2 7 12)(3 4 8)(5 11 9)
= (2 4)(3 5)
= (1 9)(2 5)(3 11)(4 12)(6 7)(8 10)
= (2 5 3)
= (1 5 7)(2 11 4)(3 9 10)(6 12 8)
= (2 5 4)
= (1 6 10)(2 12 7)(3 8 4)(5 9 11)
= (2 5)(3 4)
= (1 4)(2 10)(3 7)(5 8)(6 11)(9 12)
= (1 2)(4 5)
= (1 3)(2 4)(5 8)(6 7)(9 10)(11 12)
= (1 2)(3 4)
= (1 5)(2 7)(3 11)(4 9)(6 10)(8 12)
= (1 2)(3 5)
= (1 12)(2 10)(3 8)(4 6)(5 11)(7 9)
= (1 2 3)
= (1 11 6)(2 5 9)(3 7 12)(4 10 8)
= (1 2 3 4 5)
= (1 6 5 3 9)(4 12 7 8 11)
= (1 2 3 5 4)
= (1 4 8 6 2)(5 7 10 12 9)
= (1 2 4 5 3)
= (1 8 7 3 10)(2 12 5 6 11)
= (1 2 4)
= (1 7 4)(2 11 8)(3 5 10)(6 9 12)
= (1 2 4 3 5)
= (1 2 9 11 7)(3 6 12 10 4)
= (1 2 5 4 3)
= (2 3 4 7 5)(6 8 10 11 9)
= (1 2 5)
= (1 9 8)(2 6 3)(4 5 12)(7 11 10)
= (1 2 5 3 4)
= (1 10 5 4 11)(2 8 9 3 12)
= (1 3 2)
= (1 6 11)(2 9 5)(3 12 7)(4 8 10)
= (1 3 4 5 2)
= (2 5 7 4 3)(6 9 11 10 8)
= (1 3 5 4 2)
= (1 10 3 7 8)(2 11 6 5 12)
= (1 3)(4 5)
= (1 7)(2 10)(3 11)(4 5)(6 12)(8 9)
= (1 3 4)
= (1 9 10)(2 12 4)(3 6 8)(5 11 7)
= (1 3 5)
= (1 3 4)(2 8 7)(5 6 10)(9 12 11)
= (1 3)(2 4)
= (1 12)(2 6)(3 9)(4 11)(5 8)(7 10)
= (1 3 2 4 5)
= (1 4 10 11 5)(2 3 8 12 9)
= (1 3 5 2 4)
= (1 5 9 6 3)(4 7 11 12 8)
= (1 3)(2 5)
= (1 2)(3 5)(4 9)(6 7)(8 11)(10 12)
= (1 3 2 5 4)
= (1 11 2 7 9)(3 10 6 4 12)
= (1 3 4 2 5)
= (1 8 2 4 6)(5 10 9 7 12)
= (1 4 5 3 2)
= (1 2 6 8 4)(5 9 12 10 7)
= (1 4 2)
= (1 4 7)(2 8 11)(3 10 5)(6 12 9)
= (1 4 3 5 2)
= (1 11 4 5 10)(2 12 3 9 8)
= (1 4 3)
= (1 10 9)(2 4 12)(3 8 6)(5 7 11)
= (1 4 5)
= (1 5 2)(3 7 9)(4 11 6)(8 10 12)
= (1 4)(3 5)
= (1 6)(2 3)(4 9)(5 8)(7 12)(10 11)
= (1 4 5 2 3)
= (1 9 7 2 11)(3 12 4 6 10)
= (1 4)(2 3)
= (1 8)(2 10)(3 4)(5 12)(6 7)(9 11)
= (1 4 2 3 5)
= (2 7 3 5 4)(6 11 8 9 10)
= (1 4 2 5 3)
= (1 3 6 9 5)(4 8 12 11 7)
= (1 4 3 2 5)
= (1 7 10 8 3)(2 5 11 12 6)
= (1 4)(2 5)
= (1 12)(2 9)(3 11)(4 10)(5 6)(7 8)
= (1 5 4 3 2)
= (1 9 3 5 6)(4 11 8 7 12)
= (1 5 2)
= (1 8 9)(2 3 6)(4 12 5)(7 10 11)
= (1 5 3 4 2)
= (1 7 11 9 2)(3 4 10 12 6)
= (1 5 3)
= (1 4 3)(2 7 8)(5 10 6)(9 11 12)
= (1 5 4)
= (1 2 5)(3 9 7)(4 6 11)(8 12 10)
= (1 5)(3 4)
= (1 12)(2 11)(3 10)(4 8)(5 9)(6 7)
= (1 5 4 2 3)
= (1 5 11 10 4)(2 9 12 8 3)
= (1 5)(2 3)
= (1 10)(2 12)(3 11)(4 7)(5 8)(6 9)
= (1 5 2 3 4)
= (1 3 8 10 7)(2 6 12 11 5)
= (1 5 2 4 3)
= (1 6 4 2 8)(5 12 7 9 10)
= (1 5 3 2 4)
= (2 4 5 3 7)(6 10 9 8 11)
= (1 5)(2 4)
= (1 11)(2 10)(3 12)(4 9)(5 7)(6 8)
Grupos comúnmente confundidos
Los siguientes grupos tienen todos el orden 120, pero no son isomorfos:
Téngase en cuenta que tiene una representación tridimensional irreducible excepcional(como el grupo de rotación icosaédrico), pero no tiene una representación tridimensional irreducible, correspondiente al grupo icosaédrico completo que no es el grupo simétrico.
Estos elementos también pueden relacionarse con grupos lineales sobre el cuerpo finito con cinco elementos, que exhiben los subgrupos y los grupos de recubrimiento directamente; ninguno de estos es el grupo icosaédrico completo:
12 × rotaciones de ±72°, orden 5, alrededor de los 6 ejes a través de los centros de las caras del dodecaedro
12 × rotaciones de ± 144°, orden 5, alrededor de los 6 ejes a través de los centros de las caras del dodecaedro
20 × rotaciones de ± 120°, orden 3, alrededor de los 10 ejes a través de los vértices del dodecaedro
15 × rotaciones de 180°, orden 2, alrededor de los 15 ejes a través de los puntos medios de las aristas del dodecaedro
Inversión central, orden 2
12 × rotorreflexiones de ± 36°, orden 10, alrededor de los 6 ejes a través de los centros de las caras del dodecaedro
12 × rotorreflexiones de ± 108°, orden 10, alrededor de los 6 ejes a través de los centros de las caras del dodecaedro
20 × rotorreflexiones de ± 60°, orden 6, alrededor de los 10 ejes a través de los vértices del dodecaedro
15 × reflexiones, orden 2, en 15 planos a través de las aristas del dodecaedro
Subgrupos del grupo completo de simetría icosaédrica
Cada línea de la siguiente tabla representa una clase de subgrupos conjugados (es decir, geométricamente equivalentes). La columna "Mult." (multiplicidad) da el número de subgrupos diferentes en la clase de conjugación.
Explicación de colores: verde = los grupos que son generados por reflexión, rojo = los grupos quirales (que conservan la orientación), que contienen solo rotaciones.
Los grupos se describen geométricamente en términos del dodecaedro.
La abreviatura "m.v.i. (arista)" significa "media vuelta intercambiando este borde con su borde opuesto", y de manera similar para "cara" y "vértice".
Media vuelta alrededor del punto medio del borde, más inversión central
S10
[2+,10+]
5×
5
Z10=Z2×Z5
10
12
6
Rotaciones de una cara, más inversión central
S6
[2+,6+]
3×
3
Z6=Z2×Z3
6
20
10
Rotaciones alrededor de un vértice, más inversión central
S2
[2+,2+]
×
1
Z2
2
60
1
Inversión central
I
[5,3]+
532
532
A5
60
2
1
Todas las rotaciones
T
[3,3]+
332
332
A4
12
10
5
Rotaciones de un tetraedro contenido
D5
[2,5]+
522
522
D10
10
12
6
Rotaciones alrededor del centro de una cara y m.v.i. (cara)
D3
[2,3]+
322
322
D6=S3
6
20
10
Rotaciones alrededor de un vértice y m.v.i.(vértice)
D2
[2,2]+
222
222
D4=Z22
4
30
15
Media vuelta alrededor del punto medio de una arista, y m.v.i.(arista)
C5
[5]+
55
5
Z5
5
24
6
Rotaciones alrededor de un centro de cara
C3
[3]+
33
3
Z3=A3
3
40
10
Rotaciones alrededor de un vértice
C2
[2]+
22
2
Z2
2
60
15
Media vuelta alrededor del punto medio de la arista
C1
[ ]+
11
1
Z1
1
120
1
Grupo trivial
Estabilizadores de vértices
Los estabilizadores de un par de vértices opuestos pueden interpretarse como estabilizadores del eje que generan.
Los estabilizadores de vértice en I producen grupo cíclicosC3
Los estabilizadores de vértice en Ih producen grupos diedrosD3
Los estabilizadores de un par opuesto de vértices en I producen grupos diédricos D3
Los estabilizadores de un par opuesto de vértices en Ih producen
Estabilizadores de aristas
Los estabilizadores de un par opuesto de aristas se pueden interpretar como estabilizadores del rectángulo que generan.
Los estabilizadores de aristas en I generan grupos cíclicos Z2
Los estabilizadores de aristas en Ih generan grupos de Klein
Los estabilizadores de un par de aristas en I generan grupos de Klein ; hay 5 de estos, dados por rotación de 180° en 3 ejes perpendiculares.
Los estabilizadores de un par de aristas en Ih generan ; hay 5 de estos, dados por reflexiones en 3 ejes perpendiculares.
Estabilizadores de caras
Los estabilizadores de un par de caras opuestas pueden interpretarse como estabilizadores del antiprisma que generan.
Los estabilizadores de caras en I dan grupos cíclicos C5
Los estabilizadores de caras en Ih dan grupos diédricos D5
Los estabilizadores de un par opuesto de caras en I dan grupos diédricos D5
Los estabilizadores de un par opuesto de caras en Ih dan
Estabilizadores de poliedros
Para cada uno de ellos, hay 5 copias conjugadas, y la acción de conjugación da una aplicación, de hecho un isomorfismo, .
Los estabilizadores de los tetraedros inscritos en I son una copia de T
Los estabilizadores de los tetraedros inscritos en Ih también son una copia de T
Los estabilizadores de los cubos inscritos (o el par opuesto de tetraedros u octaedros) en I iguamente son una copia de T
Los estabilizadores de los cubos inscritos (o el par opuesto de tetraedros u octaedros) en Ih son una copia de Th
Generadores del grupo de Coxeter
El grupo completo de simetría icosaédrica [5,3] () de orden 120 tiene generadores representados por las matrices de reflexión R0, R1, R2 que figuran a continuación, con relaciones R02 = R12 = R22 = (R0 × R1) 5 = (R1 × R2) 3 = (R0 × R2) 2 = Identidad. El grupo [5,3] + () de orden 60 se genera mediante dos rotaciones cualesquiera S0,1, S1,2, S0,2. Un rotación impropia de orden 10 es generada por V0,1,2, el producto de los 3 reflejos. Aquí denota el número áureo.
[5,3],
Reflexiones
Rotaciones
Rotoreflexiones
Nombre
R0
R1
R2
S0,1
S1,2
S0,2
V0,1,2
Grupo
Orden
2
2
2
5
3
2
10
Matriz
(1,0,0)n
n
(0,1,0)n
axis
axis
axis
Dominio fundamental
El dominio fundamental para el grupo de rotación icosaédrico y el grupo icosaédrico completo están dados por:
En el hexaquisicosaedro una cara completa es un dominio fundamental. Se pueden obtener otros sólidos con la misma simetría ajustando la orientación de las caras, por ejemplo, aplanando subconjuntos seleccionados de caras para combinar cada subconjunto en una cara, o reemplazar cada cara por varias caras o una superficie curva.
Para la fase material intermedia denominada cristal líquido, H. Kleinert y K. Maki[3] propusieron la existencia de simetría icosaédrica, y su estructura se analizó por primera vez en detalle en ese documento. Véase el artículo de revisión aquí.
En el aluminio, la estructura icosaédrica se descubrió experimentalmente tres años después por Dan Shechtman, lo que le valió el Premio Nobel en 2011.
Geometrías relacionadas
La simetría icosaédrica es equivalente al grupo lineal proyectivo PSL (2,5), y es el grupo de simetría de la curva modular X (5), y más generalmente PSL (2, p) es el grupo de simetría de la curva modular X(p). La curva modular X(5) es geométricamente un dodecaedro con una cúspide en el centro de cada cara poligonal, lo que demuestra el grupo de simetría.
Esta geometría, y el grupo de simetría asociado, fue estudiado por Felix Klein como las monodromías de una superficie de Belyi, una superficie de Riemann con un aplicación holomórfica de la esfera de Riemann, ramificada solo en 0, 1 e infinito (una función de Belyi); las cúspides son los puntos que se encuentran sobre el infinito, mientras que los vértices y los centros de cada borde se encuentran sobre 0 y 1; el grado de cobertura (número de hojas) es igual a 5.
Esto surgió de sus esfuerzos por dar una interpretación geométrica de por qué surgió la simetría icosaédrica en la solución de la ecuación de quinto grado, con la teoría dada en el famoso (Klein, 1888); una exposición moderna se da en (Tóth, 2002, Section 1.6, Additional Topic: Klein's Theory of the Icosahedron, p. 66).
Las investigaciones de Klein continuaron con su descubrimiento de las simetrías de orden 7 y 11 en (Klein, 1878/79b) y (Klein, 1879) (y recubrimientos asociados de grado 7 y 11) y dibujos de niños, la primera produciendo la cuártica de Klein, cuya geometría asociada posee un teselado formado por 24 heptágonos (con una cúspide en el centro de cada uno).
Se producen geometrías similares para PSL (2, n) y grupos más generales para otras curvas modulares.
Más exóticamente, existen conexiones especiales entre los grupos PSL (2,5) (orden 60), PSL(2,7) (orden 168) y PSL (2,11) (orden 660), que también admiten interpretaciones geométricas - PSL (2,5) son las simetrías del icosaedro (género 0), PSL (2,7) de la cuártica de Klein (género 3) y PSL (2,11) de la superficie de la buckybola (género 70). Estos grupos forman una trinidad en el sentido definido por Vladímir Arnold, que proporciona un marco para las diversas relaciones.
Klein, Felix (1888), Lectures on the Icosahedron and the Solution of Equations of the Fifth Degree, Trübner & Co., ISBN0-486-49528-0trans. George Gavin Morrice.
Tóth, Gábor (2002), Finite Möbius groups, minimal immersions of spheres, and moduli.
Peter R. Cromwell, "Poliedros" (1997), pág. 296
Las simetrías de las cosas 2008, John H. Conway, Heidi Burgiel, Chaim Goodman-Strass, ISBN978-1-56881-220-5