Kurs:Einführung in die Algebra (Osnabrück 2009)/Vorlesung 10/latex
\setcounter{section}{10}
\zwischenueberschrift{Bewegungen}
Wir haben schon mehrfach die Würfelgruppe betrachtet, also die Gruppe der eigentlichen Symmetrien an einem Würfel. Jede dieser Symmetrien ist insbesondere eine abstandserhaltende lineare Abbildung des umgebenden Raumes um eine eindeutig bestimmte Drehachse. Die Gesamtmenge der abstandserhaltenden linearen \zusatzklammer {eigentlichen} {} {} Abbildungen des Raumes bildet die sogenannte \stichwort {orthogonale Gruppe} {} $\operatorname{O}_{ 3 } \!$ \zusatzklammer {bzw. $\operatorname{SO}_{3}$} {} {.} Dies ist natürlich eine sehr große, unendliche Gruppe. Interessant ist aber, dass die endlichen Untergruppen darin übersichtlich beschrieben werden können. Diese endlichen Untergruppen lassen sich stets als Symmetriegruppe zu einem geeigneten geometrischen Objekt auffassen. Dass eine einfache Klassifikation dieser endlichen Bewegungsgruppen möglich ist, beruht auf intrinsischen Struktureigenschaften des Raumes und liefert unter Anderem eine präzise Version dafür, dass es nur fünf reguläre Polyeder \zusatzklammer {die \stichwort {platonischen Körper} {}} {} {} gibt.
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Tetrahedron.svg} }
\end{center}
\bildtext {} }
\bildlizenz { Tetrahedron.svg } {} {Cyp} {engl. Wikipedia} {CC-by-sa 3.0} {}
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Hexahedron.svg} }
\end{center}
\bildtext {} }
\bildlizenz { Hexahedron.svg } {} {Cyp} {engl. Wikipedia} {CC-by-sa 3.0} {}
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Octahedron.svg} }
\end{center}
\bildtext {} }
\bildlizenz { Octahedron.svg } {} {Cyp} {engl. Wikipedia} {CC-by-sa 3.0} {}
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {POV-Ray-Dodecahedron.svg} }
\end{center}
\bildtext {} }
\bildlizenz { POV-Ray-Dodecahedron.svg } {} {Cyp} {engl. Wikipedia} {CC-by-sa 3.0} {}
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Icosahedron.svg} }
\end{center}
\bildtext {} }
\bildlizenz { Icosahedron.svg } {} {Cyp} {engl. Wikipedia} {CC-by-sa 3.0} {}
Für die folgenden Überlegungen benötigen wir etwas lineare Algebra, insbesondere den Begriff des euklidischen Vektorraumes, siehe
die Kurzübersicht auf der Kursseite unter \anfuehrung{weitere Materialien}{}.
\inputdefinition
{}
{
Eine
\definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{}
\maabbdisp {\varphi} {V} {V
} {}
auf einem
\definitionsverweis {euklidischen Vektorraum}{}{}
$V$ heißt \definitionswort {Isometrie}{,} wenn für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v,w
}
{ \in }{V
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \left\langle \varphi(v) , \varphi(w) \right\rangle
}
{ =} { \left\langle v , w \right\rangle
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gilt.
}
\inputdefinition
{}
{
Eine \definitionsverweis {Isometrie}{}{} auf einem \definitionsverweis {euklidischen Vektorraum}{}{} heißt \definitionswort {eigentlich}{,} wenn ihre \definitionsverweis {Determinante}{}{} gleich $1$ ist.
}
Die Gruppe, die aus allen Isometrien von $V$ besteht, heißt \stichwort {orthogonale Gruppe} {} zu $V$, und die eigentlichen Isometrien bilden die \stichwort {spezielle orthogonale Gruppe} {.} Bei
\mathl{V= \R^n}{} schreibt man dafür
\mathdisp {\operatorname{O}_{ n } \! \text{ bzw. } \operatorname{SO}_{n}} { . }
\inputfaktbeweis
{Euklidischer Vektorraum/Isometrie/Eigenwerte/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {}
\faktvoraussetzung {Es sei $V$ ein
\definitionsverweis {euklidischer Vektorraum}{}{}
und sei
\maabbdisp {\varphi} {V} {V
} {}
eine
\definitionsverweis {lineare Isometrie}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann besitzt jeder
\definitionsverweis {Eigenwert}{}{}
von $\varphi$ den Betrag $1$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
}
{
Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi(v)
}
{ = }{ \lambda v
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit
\mathl{v \neq 0}{,} d.h. $v$ ist ein
\definitionsverweis {Eigenvektor}{}{}
zum Eigenwert $\lambda$. Wegen der Isometrieeigenschaft gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Vert {v} \Vert
}
{ =} { \Vert {\varphi(v)} \Vert
}
{ =} { \Vert {\lambda v} \Vert
}
{ =} { \betrag { \lambda } \cdot \Vert { v} \Vert
}
{ } {}
}
{}{}{.}
Wegen
\mathl{\Vert {v} \Vert \neq 0}{} folgt daraus
\mathl{\betrag { \lambda }=1}{,} also
\mathl{\lambda=\pm 1}{.}
Im Allgemeinen muss es keine Eigenwerte geben \zusatzklammer {bei ungerader Dimension allerdings schon} {} {.} Wir besprechen zunächst den zweidimensionalen Fall ausführlicher.
\zwischenueberschrift{Bewegungen in der Ebene}
\inputfaktbeweis
{Euklidische Ebene/Eigentliche Isometrie/Drehung/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {}
\faktvoraussetzung {Es sei
\maabbdisp {\varphi} { \R^2 } { \R^2
} {}
eine
\definitionsverweis {eigentliche, lineare Isometrie}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist $\varphi$ eine Drehung,}
\faktzusatz {und ihre Matrix hat bezüglich der Standardbasis die Gestalt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ D(\theta)
}
{ =} { \begin{pmatrix}
\operatorname{cos} \, \theta & - \operatorname{sin} \, \theta \\
\operatorname{sin} \, \theta & \operatorname{cos} \,\theta
\end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
mit einem eindeutig bestimmten Drehwinkel
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \theta
}
{ \in }{ [0, 2 \pi[
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}}
\faktzusatz {}
}
{
Es seien
\mathkor {} {(x,y)} {und} {(u,v)} {}
die Bilder der Standardvektoren
\mathkor {} {(1,0)} {und} {(0,1)} {.}
Unter einer Isometrie wird die Länge eines Vektors erhalten, daher ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Vert {\begin{pmatrix} x \\y \end{pmatrix}} \Vert
}
{ =} {\sqrt{x^2+y^2}
}
{ =} {1
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Daher ist $x$ eine reelle Zahl zwischen
\mathkor {} {-1} {und} {+1} {}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y
}
{ = }{ \pm \sqrt{1-x^2}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{,}
d.h.
\mathl{(x,y)}{} ist ein Punkt auf dem reellen Einheitskreis. Der Einheitskreis wird bekanntlich durch die trigonometrischen Funktionen parametrisiert, d.h. es gibt einen eindeutig bestimmten Winkel
\mathbed {\theta} {}
{0 \leq \theta < 2 \pi} {}
{} {} {} {,}
mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (x,y)
}
{ =} { ( \operatorname{cos} \, \theta, \operatorname{sin} \, \theta)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Da unter einer Isometrie die Senkrechtsbeziehung erhalten bleibt, muss
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \left\langle \begin{pmatrix} x \\y \end{pmatrix} , \begin{pmatrix} u \\v \end{pmatrix} \right\rangle
}
{ =} { xu + yv
}
{ =} { 0
}
{ } {}
{ } {}
}
{}{}{}
gelten.
\fallunterscheidungzwei {Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
folgt daraus
\zusatzklammer {wegen
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{x
}
{ = }{ \pm 1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}} {} {}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ u
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v
}
{ = }{ \pm 1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und wegen der Eigentlichkeit muss das Vorzeichen dasselbe wie von $x$ sein.}
{Es sei also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y
}
{ \neq }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Dann gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} -v \\u \end{pmatrix}
}
{ =} { \frac{u}{y} \begin{pmatrix} x \\y \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Da die beiden Vektoren die Länge $1$ haben, muss der skalare Faktor
\mathl{u/y}{} den Betrag $1$ haben. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{u
}
{ = }{y
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
wäre
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v
}
{ = }{ -x
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und die Determinante wäre $-1$. Also muss
\mathkon { u = -y } { und } { v = x }{ }
sein, was die Behauptung ergibt.}
\inputfaktbeweis
{Euklidische Ebene/Endliche Untergruppe/Eigentlich/Zyklisch/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {}
\faktvoraussetzung {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ G
}
{ \subseteq }{ \operatorname{SO}_{2}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
eine endliche
\definitionsverweis {Untergruppe}{}{}
der linearen
\definitionsverweis {Bewegungsgruppe}{}{}
der reellen Ebene.}
\faktfolgerung {Dann ist $G$ eine
\definitionsverweis {zyklische Gruppe}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
}
{
Jedes Element aus $G$ ist nach
Satz 10.4
eine Drehung der Ebene um einen bestimmten Winkel $\theta$. Wir betrachten den surjektiven
\definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{}
\maabbeledisp {} { \R } { \operatorname{SO}_{2}
} { \theta } { D(\theta) = \begin{pmatrix}
\operatorname{cos} \, \theta & - \operatorname{sin} \, \theta \\
\operatorname{sin} \, \theta & \operatorname{cos} \,\theta
\end{pmatrix}
} {,}
der einen Winkel auf die zugehörige Drehung abbildet. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H
}
{ \subseteq }{ \R
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
das Urbild von $G$ unter dieser Abbildung, d.h. $H$ besteht aus allen Drehwinkeln zu Drehungen, die zu $G$ gehören. Die Gruppe $H$ wird von einem Repräsentantensystem für die Elemente aus $G$ zusammen mit $2 \pi$ erzeugt. Insbesondere ist also $H$ eine endlich erzeugte Untergruppe von $\R$. Da jedes Gruppenelement aus $G$ eine endliche
\definitionsverweis {Ordnung}{}{}
besitzt, muss jedes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \theta
}
{ \in }{ H
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
die Gestalt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \theta
}
{ = }{2 \pi q
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit einer rationalen Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ q
}
{ \in }{ \Q
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
haben. Dies bedeutet, dass $H$ eine endlich erzeugte Untergruppe von
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 2 \pi \Q
}
{ \subseteq }{ \R
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist. Damit ist $H$ isomorph zu einer endlich erzeugten Untergruppe der rationalen Zahlen. Nach
Aufgabe 3.9
ist $H$ zyklisch, sagen wir
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H
}
{ = }{ \Z \alpha
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit einem eindeutig bestimmten Winkel
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \alpha
}
{ \in }{ [0,2 \pi)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Dann ist die Gruppe $G$ als Bild von $H$ ebenfalls zyklisch.
Wenn man auch noch uneigentliche Symmetrien, also Isometrien mit der Determinante $-1$
\zusatzklammer {etwa Achsenspiegelungen} {} {}
zulässt, so gibt es noch eine weitere Familie von endlichen Untergruppen der $\operatorname{O}_{ 2 } \!$, nämlich die Diedergruppen.
\inputdefinition
{}
{
Zu einem regelmäßigen $n$-Eck \zusatzklammer {\mathlk{n \geq 2}{}} {} {} heißt die \definitionsverweis {Gruppe}{}{} der \zusatzklammer {eigentlichen oder uneigentlichen} {} {} \definitionsverweis {linearen Symmetrien}{}{} die \definitionswort {Diedergruppe}{} $D_n$.
}
Die Diedergruppe besteht aus den Drehungen des $n$-Ecks und aus den Achsenspiegelungen an den folgenden Achsen durch den Nullpunkt:
\fallunterscheidungzwei {bei $n$ gerade die Achsen durch gegenüberliegende Eckpunkte und gegenüberliegende Kantenmittelpunkte,}
{bei $n$ ungerade die Achsen durch einen Eckpunkt und einen gegenüberliegenden Kantenmittelpunkt.}
In beiden Fällen besteht die Diedergruppe aus $2n$ Elementen.
\zwischenueberschrift{Bewegungen im Raum}
\inputfaktbeweis
{Euklidischer Vektorraum/R^3/Isometrie/Eigenvektor/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {}
\faktvoraussetzung {Es sei
\maabbdisp {\varphi} {\R^3} {\R^3
} {}
eine
\definitionsverweis {lineare Isometrie}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es einen
\definitionsverweis {Eigenvektor}{}{}
zum
\definitionsverweis {Eigenwert}{}{}
\mathkor {} {1} {oder} {-1} {.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}
}
{
Das
\definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{}
$P$ zu $\varphi$ ist ein normiertes Polynom vom Grad drei. Für
\mathl{t \to + \infty}{} geht
\mathl{P(t) \to + \infty}{} und für
\mathl{t \to -\infty}{} geht
\mathl{P(t) \to - \infty}{.} Nach
dem Zwischenwertsatz
besitzt daher $P$ mindestens eine Nullstelle. Eine solche Nullstelle ist ein
\definitionsverweis {Eigenwert}{}{}
von $\varphi$. Nach
Satz 10.3
ist der Eigenwert gleich $1$ oder gleich $-1$.
Eine eigentliche lineare Isometrie des Raumes führt insbesondere die Einheitskugel durch eine Bewegung in sich über. Man kann sich eine solche Isometrie also gut als eine Drehung an einer Kugel vorstellen, die in einer passenden Schale liegt.
\inputfaktbeweis
{Euklidischer Vektorraum/R^3/Eigentliche Isometrie/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {}
\faktvoraussetzung {Eine
\definitionsverweis {eigentliche Isometrie}{}{}
\maabbdisp {\varphi} {\R^3} {\R^3
} {}}
\faktfolgerung {besitzt einen
\definitionsverweis {Eigenvektor}{}{}
zum
\definitionsverweis {Eigenwert}{}{}
$1$,}
\faktzusatz {d.h. es gibt eine Gerade
\zusatzklammer {durch den Nullpunkt} {} {,}
die unter $\varphi$ fest bleibt.}
\faktzusatz {}
}
{
Wir betrachten das
\definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{}
von $\varphi$, also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P(\lambda)
}
{ =} { \det \left( \lambda E_3 - \varphi \right)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Dies ist ein normiertes reelles Polynom vom Grad drei. Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\lambda
}
{ = }{ 0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ergibt sich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P(0)
}
{ =} { \det \left( - \varphi \right)
}
{ =} { - \det \left( \varphi \right)
}
{ =} { -1
}
{ } {}
}
{}{}{.}
Da für
\mathl{\lambda \to \infty}{} das Polynom
\mathl{P(\lambda) \to \infty}{} geht, muss es für ein positives $\lambda$ eine Nullstelle geben. Aufgrund von
Satz 10.3
kommt dafür nur
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\lambda
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
in Frage.
\inputfaktbeweis
{Euklidischer Vektorraum/Isometrie/Orthogonales Komplement/Fakt}
{Lemma}
{}
{
\faktsituation {}
\faktvoraussetzung {Es sei
\maabbdisp {\varphi} {V} {V
} {}
eine
\definitionsverweis {lineare Isometrie}{}{}
auf einem
\definitionsverweis {euklidischen Vektorraum}{}{}
$V$ und sei
\mathl{U \subseteq V}{} ein
\definitionsverweis {invarianter Unterraum}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist auch das
\definitionsverweis {orthogonale Komplement}{}{}
$U^{ { \perp } }$ invariant.}
\faktzusatz {Insbesondere kann man $\varphi$ als
\definitionsverweis {direkte Summe}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi
}
{ =} {\varphi_U \oplus \varphi_{ U^{ { \perp } } }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
schreiben, wobei die Einschränkungen \mathkon { \varphi_U } { und } { \varphi_{ U^{ { \perp } } } }{ } ebenfalls Isometrien sind.}
\faktzusatz {}
}
{
Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U^{ { \perp } }
}
{ =} { { \left\{ v \in V \mid \left\langle v , u \right\rangle=0 \text{ für } \text{alle } u \in U \right\} }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Für ein solches
\mathl{v \in U^{ { \perp } }}{} und ein beliebiges
\mathl{u \in U}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \left\langle \varphi(v) , u \right\rangle
}
{ =} { \left\langle \varphi^{-1}(\varphi(v)) , \varphi^{-1}(u) \right\rangle
}
{ =} { \left\langle v , u' \right\rangle
}
{ =} { 0
}
{ } {}
}
{}{}{,}
da
\mathl{u'= \varphi^{-1}(u) \in U}{} liegt wegen der Invarianz von $U$. Also ist wieder
\mathl{\varphi(v) \in U^{ { \perp } }}{.}
\inputfaktbeweis
{Euklidischer Vektorraum/R^3/Eigentliche Isometrie/Darstellung/Fakt}
{Satz}
{}
{
\faktsituation {}
\faktvoraussetzung {Es sei
\maabbdisp {\varphi} {\R^3} {\R^3
} {}
eine
\definitionsverweis {eigentliche Isometrie}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist $\varphi$ eine Drehung um eine feste Achse.}
\faktzusatz {Das bedeutet, dass $\varphi$ in einer geeigneten Orthonormalbasis durch eine Matrix der Form
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \operatorname{cos} \, \alpha & - \operatorname{sin} \, \alpha \\
0 &\operatorname{sin} \, \alpha & \operatorname{cos} \,\alpha \end{pmatrix}} { }
beschrieben wird.}
\faktzusatz {}
}
{
Nach
Satz 10.8
gibt es einen Eigenvektor $u$ zum Eigenwert $1$. Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U
}
{ = }{\R u
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
die davon erzeugte Gerade. Diese ist fix und insbesondere invariant unter $\varphi$. Nach
Lemma 34.1 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))
ist dann auch das orthogonale Komplement $U^{ { \perp } }$ invariant unter $\varphi$, d.h. es gibt eine lineare Isometrie
\maabbdisp {\varphi_2} { U^{ { \perp } } } { U^{ { \perp } }
} {,}
die auf $U^{ { \perp } }$ mit $\varphi$ übereinstimmt. Dabei muss $\varphi_2$ eigentlich sein, und daher muss nach
Satz 10.4
$\varphi_2$ eine Drehung sein. Wählt man einen Vektor der Länge eins aus $U$ und dazu eine Orthonormalbasis von $U^{ { \perp } }$, so hat $\varphi$ bezüglich dieser Basis die angegebene Gestalt.
\zwischenueberschrift{Halbachsensysteme}
Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G
}
{ \subseteq }{ \operatorname{SO}_{3}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
eine endliche Untergruppe der Gruppe der eigentlichen, linearen Isometrien. Jedes Element
\mathbed {g \in G} {}
{g \neq \operatorname{id}} {}
{} {} {} {,}
ist nach
Satz 10.10
eine Drehung um eine eindeutig bestimmte Drehachse $A$. Insbesondere sind an einer endlichen Symmetriegruppe nur endlich viele Drehachsen beteiligt. Jedes Gruppenelement bewirkt dann eine Permutation der Drehachsenmenge, und diese Bedingung schränkt die möglichen Gruppen wesentlich ein. Eine Drehachse zerfällt in zwei Halbachsen, und es ist sinnvoll, die Wirkungsweise der Gruppe auf diesen Halbachsen zu untersuchen.
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Duality_Hexa-Okta.png} }
\end{center}
\bildtext {Würfel und Oktaeder besitzen} }
\bildlizenz { Duality Hexa-Okta.png } {} {Peter Steinberg} {Commons} {CC-by-sa 3.0} {}
\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Duality_Okto-Hekta.png} }
\end{center}
\bildtext {isomorphe Symmetriegruppen.} }
\bildlizenz { Duality Okto-Hekta.png } {} {Peter Steinberg} {Commons} {CC-by-sa 3.0} {}
Bei einem Würfel gibt es drei verschiedene Arten von Drehachsen: Es gibt drei Drehachsen, die durch die Seitenmittelpunkte gegeben sind, vier Drehachsen, die durch die Eckpunkte gegeben sind und sechs Drehachsen, die durch die Kantenmittelpunkte gegeben sind. Betrachtet man alle \stichwort {Durchstoßungspunkte} {} dieser Achsen mit der Sphäre vom Radius $1$, so ergeben sich
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 6+8+12
}
{ = }{ 26
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
Punkte. Diese Punkte entsprechen den \stichwort {Halbachsen} {.} Dabei gibt es zu je zwei Eckpunkten
\zusatzklammer {bzw. den zugehörigen Durchstoßungspunkten} {} {}
\zusatzklammer {mindestens} {} {}
eine Würfelbewegung, die sie ineinander überführt, ebenso zu je zwei Kantenmittelpunkten und zu je zwei Seitenmittelpunkten. Jede Bewegung permutiert diese charakteristischen Punkte. Wenn man eine Achse
\zusatzklammer {oder einen Durchstoßungspunkt} {} {}
fixiert, so kann man die Menge der Bewegungen betrachten, die diese Achse als Drehachse haben. Es kann natürlich auch die Achse zwar auf sich selbst abgebildet werden, aber nicht fix sein. Dann werden die gegenüberliegenden Durchstoßungspunkte ineinander überführt.
\inputdefinition
{}
{
Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G
}
{ \subseteq }{ \operatorname{SO}_{3}\,(\R)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
eine
\definitionsverweis {endliche Untergruppe}{}{}
der Gruppe der eigentlichen, linearen Isometrien im $\R^3$. Dann nennt man jede Gerade durch den Nullpunkt, die als Drehachse eines Elementes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g
}
{ \neq }{
\operatorname{Id}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
auftritt, eine \definitionswort {Achse}{} von $G$. Die Halbgeraden dieser Drehachsen nennt man die \definitionswort {Halbachsen}{} der Gruppe und die Gesamtmenge dieser Halbachsen nennen wir das zu $G$ gehörige \definitionswort {Halbachsensystem}{.} Es wird mit
\mathl{{\mathfrak H}( G )}{} bezeichnet. Zwei Halbachsen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H_1,H_2
}
{ \in }{ {\mathfrak H}( G )
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
heißen \definitionswort {äquivalent}{,} wenn es ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g
}
{ \in }{ G
}
{ }{}
{ }{}
{ }{}
}
{}{}{}
mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g(H_1)
}
{ = }{ H_2
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
gibt. Die Äquivalenzklassen zu dieser Äquivalenzrelation nennt man \definitionswort {Halbachsenklassen}{.}
}
Da jede von $\operatorname{Id}$ verschiedene Drehung genau eine Drehachse hat, ist das Halbachsensystem zu einer endlichen Symmetriegruppe endlich
\zusatzklammer {und zwar ist die Anzahl maximal gleich \mathlk{2( \operatorname{ord} \, (G)-1)}{}} {} {.}
Wenn $H$ eine Halbachse ist und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g
}
{ \in }{ G
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{,}
so ist auch
\mathl{g(H)}{} eine Halbachse: wenn nämlich
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ h
}
{ \in }{ G
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
die durch $H$ definierte Achse als Drehachse besitzt, so ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( g h g^{-1} \right) } (g(H))
}
{ =} { (g h) { \left( g^{-1} ( g (H)) \right) }
}
{ =} { (g h) (H))
}
{ =} { g( h (H))
}
{ =} { g(H)
}
}
{}{}{.}
Mit \anfuehrung{äquivalenten Halbachsen}{} ist also wirklich eine Äquivalenzrelation definiert.
\inputbeispiel
{}
{
Beim Würfel werden die Halbachsen durch die Eckpunkte, die Seitenmittelpunkte und die Kantenmittelpunkte repräsentiert. Diese drei Arten bilden dann auch die Äquivalenzklassen, also die Halbachsenklassen. Der Vergleich mit dem Oktaeder zeigt, dass die Sprechweise mit den Halbachsen für die Bewegungsgruppe als solche angemessener ist als die Sprechweise mit Ecken, Kanten, Mittelpunkten.
}
\inputbeispiel
{}
{
Bei einem Tetraeder gibt es vier Eck-Seitenmittelpunkt-Achsen und vier Kantenmittelpunkt\-achsen. Die Kantenmittelpunkthalbachsen sind dabei alle untereinander äquivalent, während die zuerst genannten Achsen in zwei Halbachsenklassen zerfallen, nämlich die Eckhalbachsen und die Seitenhalbachsen.
}
An diesem Beispiel sieht man auch, dass die beiden durch eine Drehachse gegebenen Halbachsen nicht zueinander äquivalent sein müssen.