Открыть главное меню
Диаграммы Коксетера — Дынкина для фундаментальных конечных групп Коксетера
Диаграммы Коксетера — Дынкина для фундаментальных аффинных групп Коксетера

Диаграмма Коксетера — Дынкина (или диаграмма Коксетера, граф Коксетера, схема Коксетера[1]) — это граф с помеченными числами рёбрами (называемыми ветвями), представляющими пространственные связи между набором зеркальных симметрий (или гиперплоскостей зеркальных отражений). Диаграмма описывает калейдоскопичное построение — каждая «вершина» графа представляет зеркало (грань фундаментальной области), а метки ветвей задают величину двугранного угла между двумя зеркалами (на гребне фундаментальной области, то есть на грани с размерностью ). Непомеченные ветви неявно подразумевают порядок 3.

Каждая диаграмма представляет группу Коксетера, и группы Коксетера классифицируются ассоциированными с ними диаграммами.

Диаграммы Дынкина тесно связаны с диаграммами Коксетера и отличаются от них в двух отношениях — во-первых, ветви с меткой «4» и выше являются ориентированными, в то время как в диаграммах Коксетера они неориентированные, во-вторых, диаграммы Дынкина должны удовлетворять дополнительному (кристаллографическому[en]) ограничению, а именно, в качестве меток разрешены только 2, 3, 4 и 6. Диаграммы Дынкина соответствуют системе корней и используются для их классификации, а потому соответствуют полупростым группам Ли[2].

Содержание

ОписаниеПравить

Ветви диаграммы Коксетера — Дынкина помечаются рациональными числами p, соответствующими двугранным углам 180°/p. Если p = 2, угол равен 90° и зеркала никак не влияют друг на друга, так что ветвь может быть исключена из диаграммы. Если ветвь не помечена, предполагается, что p = 3, что соответствует углу 60°. Два параллельных зеркала имеют ветвь, помеченную знаком «∞». В принципе, n отражений могут быть представлены полным графом, в котором все n(n − 1) / 2 ветвей нарисованы. На практике, почти все интересные комбинации отражений содержат некоторое число прямых углов, так что соответствующие ветви могут быть исключены.

Диаграммы могут быть обозначены согласно их структуре графа. Первыми формами, которые изучал Людвиг Шлефли, были симплексы, определяемые набором взаимноперпендикулярных рёбер. Эти симплексы Шлефли назвал ортосхемами[en]. Ортосхемы возникают в различных контекстах, а особенно при рассмотрении правильных политопов и правильных сотов[en]. Плагиосхемы — это симплексы, представленные ветвящимися графами, а циклосхемы — симплексы, представленные циклическими графами.

Матрица Грама (Шлефли)Править

Любая диаграмма Коксетера имеет соответствующую матрицу Шлефли с элементами  , где   — порядок ветки между парами отражений. Как матрица косинусов, она также называется матрицей Грама по имени Ёргена Грама[en]. Все матрицы Грама группы Коксетера симметричны, поскольку их корневые вектора нормализованы. Они близко связаны с матрицами Картана, которые используются в подобном контексте, но для ориентированных графов диаграмм Дынкина для случаев p = 2,3,4 и 6 и которые, в общем случае, НЕ симметричны.

Определитель матрицы Шлефли называется шлефлианом (он же грамиан) и его знак определяет, является ли группа конечной (положительный определитель), аффинной (нулевой) или неопределённой (отрицательный). Это правило называется критерием Шлефли[3].

Собственные значения матрицы Грама определяют, является ли группа Коксетера конечного типа (все значения положительны), аффинного типа (все неотрицательны, по меньшей мере одно значение равно нулю) или неопределённого типа (все остальные случаи). Неопределённый тип иногда далее разбивается на подтипы, например, на гиперболические и остальные группы Коксетера. Однако имеется много неэквивалентных определений гиперболических групп Коксетера. Мы используем следующее определение: Группа Коксетера с соответствующей диаграммой является гиперболической, если она ни конечного, ни аффинного типов, но любая связная поддиаграмма имеет либо конечный, либо аффинный тип. Гиперболическая группа Коксетера компактна, если все её подгруппы конечны (то есть имеют положительные определители) и паракомпактна, если все её подгруппы конечны или аффинны (то есть имеют неотрицательные определители)[4].

Конечные и аффинные группы также называются эллиптическими и параболическими соответственно. Гиперболические группы называются также группами Ланнера (F. Lannér), который перечислил компактные гиперболические группы в 1950-м[5], а паракомпактные группы — группами Кошуля (Koszul), или квазиланнеровыми группами. Встречаются и другие названия. Так, в статье Максвелла[6] конечные группы называются положительными, а аффинные — евклидовыми.

Группы Коксетера ранга 2Править

Для ранга 2 тип группы Коксетера полностью определён определителем матрицы Грама, поскольку он просто равен произведению его собственных значений: конечный тип (положительный определитель), аффинный тип (нулевой определитель) или гиперболический тип (отрицательный определитель). Коксетер использует эквивалентную скобочную нотацию[en], которая перечисляет последовательности порядков веток вместо графических диаграмм узел-ветвь.

Тип Конечная Аффинная Гиперболическая
Геометрия              
Коксетер  
[ ]
   
[2]
   
[3]
   
[4]
   
[p]
   
[∞]
   
[∞]
   
[iπ/λ]
порядок 2 4 6 8 2p
Прямые отражения раскрашены соответственно узлам диаграммы Коксетера.
Фундаментальные области выкрашены в альтернативные цвета.
Диаграммы группы Коксетера ранга 2
Порядок
p
Группа Диаграмма Коксетера Матрица Грама
  Определитель
(4-a21*a12)
Конечная (Определитель>0)
2 I2(2) = A1xA1     [2]   4
3 I2(3) = A2     [3]   3
4 I2(4) = B2     [4]   2
5 I2(5) = H2     [5]    
= 

~1.38196601125

6 I2(6) = G2     [6]   1
8 I2(8)     [8]    

~0.58578643763

10 I2(10)     [10]    
= 

~0.38196601125

12 I2(12)     [12]    

~0.26794919243

p I2(p)     [p]    
Аффинная (Определитель=0)
I2(∞) =   =       [∞]   0
Гиперболическая (Определитель≤0)
    [∞]   0
    [iπ/λ]    

Геометрическое представлениеПравить

Диаграмму Коксетера — Дынкина можно рассматривать как графическое описание фундаментальной области отражений. Зеркалом (множеством неподвижных точек отражения) является гиперплоскость в заданном сферическом, евклидовом или гиперболическом пространстве. (В двумерном пространстве зеркалом служит прямая, а в трёхмерном — плоскость).

Ниже показаны фундаментальные области двумерных и трёхмерных евклидовых групп, а также двумерных сферических групп. Для каждой группы диаграмма Коксетера может быть выведена путём определения гиперплоскостей и разметки их связей, игнорируя при этом двугранные углы в 90 градусов (порядок 2).

Группа Коксетера    x     
[4,4] [∞4,∞] [6,3] [(3,3,3)] = [3[3]]
Фундаментальная область        
Диаграмма
Коксетера — Дынкина
       

Группы Коксетера на евклидовой плоскости с соответствующими диаграммами. Зеркала помечены как узлы графа R1, R2, и т. д. и раскрашены соответственно порядку отражения. Отражения на 90 градусов ничего не меняют, а потому удалены из диаграммы. Параллельные отражения отмечены символом ∞. Призматическая группа  x  показана как удвоение  , но она также может быть создана как прямоугольные области, полученные из удвоения треугольников  .   является удвоением треугольника  .

Некоторые гиперболические калейдоскопы
Группа Коксетера [n,4] [∞n,∞] [n,3] [(n,3,3)]
Фундаментальная область        
Двойственный граф (полная схема Коксетера)        
Диаграмма
Коксетера — Дынкина
       
n=5,6... n=3,4... n=7,8... n=4,5


Многие группы Коксетера на гиперболической плоскости могут быть распространены из евклидова случая как серии гиперболических решений.

 
Группы Коксетера в трёхмерном пространстве с соответствующими диаграммами. Зеркала (треугольные грани) помечены противоположными вершинами 0..3. Ветви выкрашены соответственно порядку отражений.
  заполняет 1/48 часть куба.   заполняет 1/24 часть куба.   заполняет 1/12 часть куба.
 
Группы Коксетера на сфере с соответствующими диаграммами. Одна фундаментальная область выделена жёлтым цветом. Вершины области (и ветви графа) выкрашены соответственно порядку отражения.

Конечные группы КоксетераПравить

См. также семейства многогранников для таблицы однородных многогранников, связанных с этими группами.
  • Для каждой группы приведены три различных обозначения — буквенно-цифровое обозначение, набор цифр в скобках и диаграмма Коксетера.
  • Разветвлённые группы Dn являются половинными или знакопеременными версиями обычных групп Cn.
  • Для разветвлённых групп Dn и En приведены обозначения с верхними индексами [3a,b,c], где числа a,b и c задают количество сегментов в каждой из трёх ветвей.
Связанные графы Дынкина с рангами от 1 до 9
Ранг Простые группы Ли Исключительные группы Ли
       [en]        
1 A1=[]
 
2 A2=[3]
   
B2=[4]
   
D2=A1xA1
 
G2=[6]
   
H2=[5]
   
I2[p]
   
3 A3=[32]
     
B3=[3,4]
     
D3=A3
   
E3=A2A1
     
F3=B3
     
H3
     
4 A4=[33]
       
B4=[32,4]
       
D4=[31,1,1]
     
E4=A4
     
F4
       
H4
       
5 A5=[34]
         
B5=[33,4]
         
D5=[32,1,1]
       
E5=D5
       
6 A6=[35]
           
B6=[34,4]
           
D6=[33,1,1]
         
E6=[32,2,1]
         
7 A7=[36]
             
B7=[35,4]
             
D7=[34,1,1]
           
E7=[33,2,1]
           
8 A8=[37]
               
B8=[36,4]
               
D8=[35,1,1]
             
E8=[34,2,1]
             
9 A9=[38]
                 
B9=[37,4]
                 
D9=[36,1,1]
               
10+ .. .. .. ..

Приложение для однородных политоповПравить

 
При построении однородных многогранников узлы маркируются как активные путём добавления кружка, если генерирующая точка находится вне зеркала (гиперплоскости, относительно которой производится отражение), образуя тем самым новое ребро между генерирующей точкой и её отражением. Узлы без кружка представляют неактивные отражения, не генерирующие новых точек.

Диаграммы Коксетера — Дынкина могут явно перечислить почти все классы однородных многогранников[en] и однородных мозаик. Каждый однородный многогранник с простой зеркальной симметрией (все они, за исключением нескольких специальных случаев, имеют простую зеркальную симметрию) могут быть представлены диаграммами Коксетера — Дынкина с перестановками меток. Каждый однородный многогранник можно получить, используя такие зеркала и одну генерирующую точку — отражения создают в результате симметрии новые точки, затем можно определить рёбра многогранника между точками и их зеркальными отражениями. Грани можно построить при получении цикла из рёбер и т. д. Для задания генерирующей вершины один или более узлов помечаются кружками, что означает, что вершина не находится на зеркале(-ах), представленных помеченными кружками узлами. (Если два или более зеркала помечены, вершина располагается на равноудалённом расстоянии от них.) Зеркало активно (создаёт отражения), только для точек, не лежащих на нём. Диаграмма должна иметь по меньшей мере один активный узел для представления многогранника.

Все правильные многомерные многогранники, представленные символом Шлефли (p, q, r, …), могут иметь фундаментальные области, представленные набором n зеркал с соответствующей диаграммой Коксетера — Дынкина в виде последовательности узлов и ветвей, помеченных p, q, r, … с первым обведённым кружком узлом.

Однородные многогранники с одним кружком соответствуют генерирующим точкам в углах симплекса фундаментальной области. Два кружка соответствуют рёбрам симплекса и имеют свободу выбора, но только середина приводит к однородному решению с одинаковыми длинами рёбер. В общем случае генераторы с k-кружками являются (k-1)-мерными гранями симплекса. Если все узлы помечены кружками, генерирующая точка находится внутри симплекса.

Другой элемент разметки выражает специальный случай незеркальной симметрии однородных многогранников. Эти случаи существуют как альтернации[en] зеркальной симметрии многогранников. В этом элементе разметки отсутствует центральная точка помеченного кружком узла, который тогда называется дыркой, и означает такой узел удалённую альтернирующую вершину. Полученный многогранник будет иметь подсимметрии исходной группы Коксетера. Усечённая альтернация называется обрезком[en].

  • Отдельный узел представляет отдельное зеркало. Соответствующая группа обозначается A1. Кружок вокруг узла приводит к образованию отрезка, перпендикулярного зеркалу, и он обозначается как {}.
  • Два несвязанных узла представляют два перпендикулярных зеркала. Если оба узла обведены кружком, может быть создан прямоугольник, или квадрат, если точки расположены на одинаковом расстоянии от обоих зеркал.
  • Два узла, соединённых ветвью порядка n, могут создать n-угольник, если точка находится на одном из зеркал, и 2n-угольник, если точка не лежит ни на одном из зеркал. Эти два узла образуют группу I1(n).
  • Два параллельных зеркала могут представлять группу бесконечного многоугольника I1(∞), обозначаемую также Ĩ1.
  • Три зеркала в виде треугольника образуют образы, которые наблюдаются в традиционном калейдоскопе и такая конфигурация может быть представлена тремя узлами, соединёнными в треугольник. Периодические примеры будут иметь ветви, помеченные как (3 3 3), (2 4 4) и (2 3 6), хотя последние два могут быт нарисованы как прямые (удалив ветви 2). Они генерируют однородные мозаики[en].
  • Три зеркала может создать однородный многогранник[en], включая треугольники Шварца, получаемые из рациональных чисел.
  • Три зеркала, где одно зеркало перпендикулярно двум другим, могут создать однородные призмы.
 
Имеется 7 зеркальных однородных конструкций для общего треугольника, основанных на 7 топологических позициях генератора внутри фундаментальной области. Любое единичное активное зеркало имеет генератор в углу и образует ребро, для двух зеркал генератор находится на одной из сторон треугольника, а три активных зеркала имеют генератор внутри треугольника. Одна или две степени свободы можно свести к одной позиции для достижения одинаковых длин рёбер результирующего многогранника или мозаики.
 
Пример семи генераторов при октаэдральной симметрии[en] с фундаментальным треугольником (4 3 2) и восьмым генератором обрезка

Двойственные однородные многогранники иногда помечаются вертикальными чертами вместо помеченных кружками узлов, а перечёркнутый пустой узел (без внутренней точки) означает отсечение. Например,     представляет прямоугольник (как два активных ортогональных зеркала), а     представляет его двойственный многоугольник[en] (ромб).

Примеры многогранников и мозаикПравить

В качестве примера группа Коксетера B3 имеет схему      . Она также называется октаэдральной симметрией[en].

Имеется 7 выпуклых однородных многогранников[en], которые можно построить с помощью этой группы симметрии и 3 из её альтернационных[en] подсимметрий, каждая с единственной схемой Коксетера — Дынкина. Символ Витхоффа[en] представляет специальный случай схемы Коксетера для графов ранга 3 со всеми тремя ветвями без удаления ветвей порядка 2. Символ Витхоффа способен работать с обрезками, но не с общими альтернациями, когда не все узлы помечены кружками.

Однородные октаэдральные многогранники[en]
Симметрии: [4,3], *432[en] [4,3]+, (432) [3+,4], (3*2)[en]
                 
                                                     
{4,3} t{4,3} r{4,3} t{3,4} {3,4} rr{4,3} tr{4,3} sr{4,3} s{3,4}
Двойственные многогранники для однородных многогранников
                 
V43 V3.82 V(3.4)2 V4.62 V34 V3.43 V4.6.8 V34.4 V35

Те же построения можно сделать с несвязными (ортогональными) группами Коксетера, наподобие группы однородных призм, и могут рассматриваться с большей ясностью как мозаики диэдров и осоэдров на сфере, наподобие семейств [6]×[] или [6,2]:

Однородные шестиугольные диэдральные сферические многогранники
Симметрия|: [6,2], (*622) [6,2]+, (622) [6,2+], (2*3)
                 
                                                     
{6,2} t{6,2} r{6,2} t{2,6} {2,6} rr{2,6} tr{6,2}[en] sr{6,2} s{2,6}
Двойственные им многогранники
                 
V62 V122 V62 V4.4.6[en] V26 V4.4.6[en] V4.4.12 V3.3.3.6[en] V3.3.3.3

По сравнению с [6,3], семейство       порождает два параллельных семейства 7 однородных мозаик евклидовой плоскости и их двойственных мозаик. Снова имеется 3 альтернации и несколько полусимметричных версий.

Однородные шестиугольные/треугольные мозаики
Симметрия[en]*: [6,3], (*632) [6,3]+
(632)
[6,3+]
(3*3)
{6,3} t{6,3} r{6,3} t{3,6} {3,6} rr{6,3} tr{6,3} sr{6,3} s{3,6}
                                                     
                 
63 3.122[en] (3.6)2[en] 6.6.6 36 3.4.12.4[en] 4.6.12[en] 3.3.3.3.6[en] 3.3.3.3.3.3
Двойственные им однородные мозаики
                 
V63 V3.122[en] V(3.6)2[en] V63 V36 V3.4.12.4[en] V.4.6.12[en] V34.6[en] V36

На гиперболической плоскости [7,3] семейство       порождает два параллельных множества однородных мозаик евклидовой плоскости и двойственных им мозаик. Имеется только одна альтернация (обрезок[en]), поскольку все ветви нечётные. Много других гиперболических семейств однородных мозаик можно видеть среди однородных мозаик на гиперболической плоскости.

Аффинные группы КоксетераПравить

Семейства выпуклых однородных евклидовых мозаик определяются аффинной группой Коксетера[en]. Эти группы идентичны конечным группам с добавлением одного узла. В буквенных обозначениях им даётся та же буква с тильдой («~») над буквой. Индекс относится к конечной группе, так что ранг равен индексу + 1. (Символы Витта[en] для аффинных групп даны с пометкой также)

  1.  : диаграммы этого типа являются циклами. (Также Pn)
  2.   ассоциирована с семейством гиперкубических правильных мозаик (3, …., 4). (Также Rn)
  3.   связана с C удалением одного минора. (Также Sn)
  4.   связана с C удалением двух миноров. (Также Qn)
  5.  ,  ,  . (Также T7, T8, T9)
  6.   образует {3,4,3,3} правильную мозаику. (Также U5)
  7.   образует 30-60-90 треугольные фундаментальные области. (Также V3)
  8.   состоит из двух параллельных зеркал. (=   =  ) (Также W2)

Составные группы можно определить как ортогональные системы. Наиболее часто используется  . Так, например,           представляет квадратные или прямоугольные области на евклидовой плоскости, а           представляет фундаментальную область в виде треугольной призмы в евклидовом трёхмерном пространстве.

Аффинные группы Коксетера (от 2 до 10 узлов)
Ранг   (P2+)   (S4+)   (R2+)   (Q5+)   (Tn+1) /   (U5) /   (V3)
2  =[∞]
   
 =[∞]
   
3  =[3[3]]
*    
 =[4,4]
*      
 =[6,3]
*      
4  =[3[4]]
*      
 =[4,31,1]
*      
 =[4,3,4]
*        
 =[31,1,3−1,31,1]
      =  
5  =[3[5]]
*      
 =[4,3,31,1]
*        
 =[4,32,4]
*          
 =[31,1,1,1]
*      
 =[3,4,3,3]
*          
6  =[3[6]]
*        
 =[4,32,31,1]
*          
 =[4,33,4]
*            
 =[31,1,3,31,1]
*        
7  =[3[7]]
*        
 =[4,33,31,1]
           
 =[4,34,4]
             
 =[31,1,32,31,1]
         
 =[32,2,2]
         
8  =[3[8]]
*          
 =[4,34,31,1]
*              
 =[4,35,4]
               
 =[31,1,33,31,1]
*            
 =[33,3,1]
*          
9  =[3[9]]
*          
 =[4,35,31,1]
               
 =[4,36,4]
                 
 =[31,1,34,31,1]
             
 =[35,2,1]
*                
10  =[3[10]]
*            
 =[4,36,31,1]
                 
 =[4,37,4]
                   
 =[31,1,35,31,1]
               
11

Гиперболические группы КоксетераПравить

Имеется бесконечно много бесконечных гиперболических групп Коксетера. Гиперболические группы делятся на компактные и некомпактные, где компактные группы имеют ограниченные фундаментальные области. Компактные группы гиперболических симплексов (симплексы Ланнера) существуют для рангов от 3 до 5. Паракомпактные группы симплексов (симплексы Кошуля) существуют вплоть до ранга 10. Гиперкомпактные (многогранники Винберга) группы исследовались, но полностью ещё не изучены. В 2006 Алкок (Allcock) доказал, что имеется бесконечно много компактных многогранников Винберга для пространств размерности вплоть до 6 и бесконечно много многогранников Винберга для размерностей вплоть до 19[7], так что полное перечисление невозможно. Все эти фундаментальные области отражений, как симплексов, так и не симплексов, часто называют политопами Коксетера, или, иногда, что менее аккуратно, многогранниками Коксетера.

Гиперболические группы в H2Править

Модель Пуанкаре фундаментальной области треугольников
Примеры прямоугольных треугольников [p, q]
 
[3,7]
 
[3,8]
 
[3,9]
 
[3,∞]
 
[4,5]
 
[4,6]
 
[4,7]
 
[4,8]
 
[∞,4]
 
[5,5]
 
[5,6]
 
[5,7]
 
[6,6]
 
[∞,∞]
Примеры треугольников общего вида [(p, q, r)]
 
[(3,3,4)]
 
[(3,3,5)]
 
[(3,3,6)]
 
[(3,3,7)]
 
[(3,3,∞)]
 
[(3,4,4)]
 
[(3,6,6)]
 
[(3,∞,∞)]
 
[(6,6,6)]
 
[(∞,∞,∞)]

Двумерные гиперболические группы треугольника существуют как схемы Коксетера ранга 3, определяемые треугольником (p q r):

 

Существует бесконечно много компактных треугольных гиперболических групп Коксетера, включая линейные и треугольные графы. Линейные графы существуют для прямоугольных треугольников (с r=2).[8]

Компактные гиперболические группы Коксетера
Линейные Циклические
[en] [p, q],      :
2(p+q)<pq

     
     
     

     
     

     
     

∞ [(p, q, r)],  : p+q+r>9

       
       
       

       
       
       
       
       
       

       
       
       
       
       
       
       
       
       
       

       

Паракомпактные группы Коксетера ранга 3 существуют как пределы компактных.

Линейные графы Циклические графы
  • [p,∞]      
  • [∞,∞]      
  • [(p, q,∞)]         
  • [(p,∞,∞)]         
  • [(∞,∞,∞)]         

Арифметическая группа треугольникаПравить

Конечным подмножеством гиперболических групп треугольника являются арифметические группы. Полный список таких групп нашёл с помощью компьютера Кисао Такеучи (Kisao Takeuchi) и опубликовал в статье 1977 года «Арифметические группы треугольников»[9]. Имеется таких групп 85, из них 76 компактных и 9 паракомпактных.

Прямоугольные треугольники (p q 2) Треугольники общего вида (p q r)
Компактные группы: (76)
     ,      ,      ,      ,      ,      ,      ,      ,      ,       ,       
     ,      ,      ,      ,      ,      ,      
     ,      ,      ,      ,      ,       
     ,      ,      ,      ,      
     ,      ,      ,      ,      ,       ,       ,      

Паракомпактные прямоугольные треугольники: (4)

     ,      ,      ,      
Треугольники общего вида: (39)
       ,        ,        ,        ,        ,        ,        ,        
       ,        ,        ,        ,        ,        ,        ,         ,         ,