形象对称及其对称变换与对称要素

如题所述

形象对称(morphological symmetry)的具体概念是指:物体(或图形、函数)经适当的空间变换后可与自身相重合(即复原)的性质。除图3.1中雪花的例子外,图3.2中的双手则可由位于两手正中间的一个镜面之反映变换而使左、右手交互重合,从而双手作为一个整体也自相重合。

图3.2 双手的反映对称(罗谷风,1974)

事实上,任一对称物体都必然可被划分为若干相同部分,并在空间相互呈有规律的分布。正是基于这一特性,才使物体得以借助于适当的空间变换而使其中的每个相同部分各自都与原来的对应相同部分一一相互重合,从而达到物体与自身相重合的整体效果。所以,形象对称的概念也可等价地表述为:物体(或图形、函数)的各个相同部分相互间在三维空间中的有规律重复。

为了能简洁、明确地阐明对象的对称特点,通常都使用对称要素和对称变换的有关术语来进行描述。

对称变换(symmetry conversion,symmetrytransformation) 亦称对称操作 ( symmetry operation) ,它是 指: 能 使 对 称 物体 ( 或图 形、函数) 达到与自身相重合,或者说能使其中的各相同部分间发生有规律的重复所进行的变换作用。例如上述双手间对于镜面的反映,雪花绕自身中轴线之旋转一定的角度,便是两种不同的对称变换。在晶体对称中,共可有平移 ( translation) 、旋转 ( rotation) 、反映( reflection) 和倒反 ( inversion,亦译 “反伸”或 “反演”,见 3. 3. 1 之 ( 1) ) 四种对称变换的基本方式 ( 其中平移只能出现于无限图形中) 。值得注意的是,平移和旋转两种变换是可以用相应的实际动作来具体实施的; 但反映和倒反则不行,只能设想按相应的对称变换关系来变换物体中每一个点的位置。反映和倒反变换的结果都相当于使左手变为右手而右手则变为左手; 但平移和旋转变换的结果是右手仍为右手,或左手仍为左手 ( 见图3. 3) 。一种对称变换,凡导致左右手互相交换的,都是无法以实际动作来操作的变换。

对称要素 ( symmetry element) 是指: 为实施一定的对称变换时所凭借的几何要素———点、线、面等。一定的对称要素均有一定的对称变换与之相对应。例如上述双手间的反映重复是对于两手中间的一个平面进行的; 雪花的旋转重复是围绕着与其中轴线重合的一根直线进行的。这里的反映平面和旋转轴,就是两种不同的对称要素。

对称变换与对称要素实际上乃是一个统一体的两个方面。它们表述的侧重点虽有不同,但彼此间具有确定的对应关系,两者相互依存,缺一不可。其中对称变换强调的是在变换操作前后的相对变化关系,便于进行代数运算; 而对称要素所凸显的则是彼此的空间取向关系,更有助于建立明确的立体几何观念。

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