2024年第37周啊哈数:7

文摘   2024-09-09 17:28   北京  

晚上好!2024年的第37周!
本周的啊哈数是:𝟕

生活中,我们经常可以看到带状的重复对称花纹纹饰。下图就是两种不同的带状纹饰。

你知道吗?带状纹饰中也有数学。数学中的“群论”(group theory)是一个强大的代数工具,可以很好地描述各种对称现象。用于描述带状纹饰的群,就是“饰带群”(frieze group)。数学家们已经证明了,饰带群有且只有𝟕个。

平移对称性


在地毯边缘、镜子外框、花瓶颈部、殿宇横梁……古今中外,到处都可以见到各种各样的纹饰。什么样的纹饰算带状纹饰呢?

带状纹饰最基本的要求,就是朝着一个方向不断重复。像下图这样,如果整个图案是沿着某条直线发展的,图案平移适当距离后,所得的图案会与原来完全重合。如果满足这样的条件,我们就说,这样的图案具有“平移对称性”。

为了方便后面的讲解,在这篇文章中,所有的纹饰都是水平放置的。也就是说,接下来所说的平移默认都是左右平移。

轴对称和中心对称


在平移对称性的基础上,有的带状纹饰还具有水平轴对称性。也就是说,沿着一条水平线上下翻折后,整个纹饰保持不变。下图就是一个水平轴对称的图案。

有的带状纹饰还具有竖直轴对称性。也就是说,沿着某些竖线左右翻折后,整个纹饰保持不变。下图就是一个竖直轴对称的图案。

如果一个图案绕着某个点旋转180度后,整个图案与原来完全相同,我们就说这个图案是中心对称的。下图就是一个中心对称的图案。

更简单地说,中心对称图形就是那些倒过来看还和原来一样的图形。字母X就是中心对称的,而且也满足水平轴对称和竖直轴对称。字母N也是中心对称的,但是在任何一个方向上都不是轴对称的。字母F则既不是中心对称的,也不是轴对称的。到了九年级,大家还会进一步地研究中心对称。

滑动反射对称


在带状纹饰中,还会出现一种特殊的对称性,叫作“滑动反射对称”(glide reflection symmetry)。如果一个图案先绕着某条线翻折,再沿着这条线挪动一段距离,得到的图案与原来完全重合,我们就说这个图案具有滑动反射对称性。人在沙滩上行走,留下的一连串脚印就具有滑动反射对称性。

你来想想,如果对应我们刚刚一直用来举例的直角三角形图案,它的滑动反射对称版本应该是什么样的呢?试着画一画。

显然,具有滑动反射对称性的图形,一定是平移对称的。因为滑动反射一次后保持不变的图形,再来一次滑动反射也还是与原来一样,而连续两次滑动反射组合起来,其实就是一次纯粹的平移了。不过,具有滑动反射对称性的图形,不见得是轴对称的,也不见得是中心对称的。刚才提到的脚印就是很好的例子。

我们刚才请你画出了直角三角形的滑动反射对称版本,你画出来了吗?和下图一样吗?

7种带状纹饰


讲了这么多对称的类型,是时候给它们做些组合了。除了最基本的平移对称性,带状纹饰通常还会满足一个或多个其他的对称性,这样图案更复杂更美观。

数学家在研究带状纹饰的时候,为每一种对称组合取了一个代号。每一类带状纹饰,都会同时满足若干种对称类型。为了考验你们是不是真的理解了所有的对称类型,我们做个连线题。

下图中,左边是7种带状纹饰的样例,右边的表格是7种带状纹饰的代号和它们满足的对称类型,你来连连看,左边的图案分别是哪种带状纹饰类型的样例:

公布答案:

怎么样?你都连对了吗?这就是全部的7种带状纹饰。任何一个带状纹饰,一定属于上表列举的7种类型之一。

你可能注意到了,上面的表格并不是全部。如果不考虑实际情况,我们还能勾选出很多新的组合。但为什么可能的组合只有上述7种?我们把它当做思考题留给你,看看上面没有列出来的对称组合有没有可能存在。

这些对称方法你学会了吗,你能自己给每种类型再多画几个图例吗?相信今后你再看到好看的花边、条纹时,会产生很多新的理解和思考。


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