数学文化(11)

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射和旋转都有无穷多种。 S(K1 )就是包含上边所有这些保距变换的集
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合。于是,S(K1 )中有无穷多个元素。这就是在上述所有平面图形中,
圆被人们认为是“对称性最强”的图形的原因,可见我们的抽象观 点是符合直观感觉的。
再看正方形 K2 。在平面分别关于 K2 的两条对角线,两组对边中 点连线的反射下, K2 不变,这里有 4 种保距变换;在平面绕正方形 的中心旋转 0ο, 90ο, 180ο或270ο下, K2 不变,这里又有 4 种保距变换。
这样,就给我们描述“子集 N 的对称性”提供了基础。在 M 上的 可逆变换中,称满足ϕ(N) = N 的可逆变换为“ N 的对称变换”。要注 意的是, N 的对称变换ϕ ,并不是保持 N 中的每个元素都不变,而只 是把 N 看作一个子集合时,ϕ 从整体上保持 N 不变,“ϕ(N) = N ”表达 的就是这个意思。
由这一观点自然的延伸,就可以想到描述平面图形对称性强弱 的一种量化的方法。这就是把所有使某平面图形 K 不变的保距变换
放在一起,构成一个集合,记为 S(K )' ,并称 S(K )为 K 的“对称集”。 如 果 S(K1 ) 中 的 元 素 个 数 S(K1) 多 于 S(K2 ) 中 的 元 素 个 数 S(K2 ) :
下边再看正六边形 K3 。首先,在“恒等变换”下 K3 不变;其次, 在平面分别关于 K3 的三条对角线,三组对边中点连线的反射下, K3
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不变;再其次,在平面绕正六边形中心旋转 60ο, 120ο, 180ο, 240ο或 300ο 下, K3 不变。所以, S(K3 ) = 12 。
再看正三角形 K4 。在“恒等变换”下 K4 不变;在对平面分别关 于 K4 的三个内角的角平分线的反射下,K4 不变;在平面绕正三角形 中心旋转120ο或240ο下 K4 不变。所以, S(K4 ) = 6 。
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并由此来考察平面图形的“对称”。
保距变换,一般会使平面图形发生变化;但对一个特定的图形 而言,某些保距变换却使之保持不变,这就是“变中有不变”,它恰 恰反映了图形本身的对称性。注意,在上述保距变换的定义下,“不 动”也是一种保距变换,它可以看成旋转 0o 的保距变换,也可以看 成平移 a = 0 的保距变换。这样,任何平面图形都会在某种保距变换 下不变,因为它至少在“不动”下不变。如果一种平面图形(例如 一般三角形 K6 )只在“不动”这种保距变换下才不变,那么我们 就认为该平面图形的对称性最差,或者干脆说它“不对称”。
实际上,我们可以把平面图形的对称中用到的运动分为三类,分 别称为:反射(关于一直线的反射);旋转(绕一定点旋转θ 角);平 移(沿一固定方向平移长度 a )。
2. 从不变性看“对称” 平面中的对称图形,都是在反射、旋转或平移下 “又回到自身” 的图形。“回到自身”就是“不变”,这启发我们从不变性看“对称”。 它们有一个共同的特点是,都保持平面上任意两点间的距离不变。 所以,我们把反射、旋转、平移,或者它们的相继实施,统称为“保 距变换”。于是,我们就是要研究平面图形在保距变换下的不变性,
R
R2
M
1
N
K
0 1R
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所以,如果我们统一地用数学语言本质地描述了“子集的对称”, 那么,前面谈到的“平面图形的对称”和“ n 元多项式的对称”就都 是“子集的对称”的特例了。
其次,前面我们已经认定,对称性刻划的是事物“变中有不变” 的特性。下边我们用集合和子集的语言,分别把“变”与“不变”统 一地描述出来,得到关于“对称”的数学叙述。
S(K1 ) = ∞ , S(K3 ) = 12 , S(K 2 ) = 8 , S(K 4 ) = 6 , S(K5 ) = 2 , S(K6) = 1。
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现在,再回过头来对照我们关于这些例子的“对称性”的感性 认识,发现它们与我们直观中感觉到的对称性的强弱,是非常吻合 的。不过,我们头脑中原来的“直观”是含糊的,现在抽象为数学 方式的叙述后,“平面图形对称”的概念就变得确切了,并且从定性 的描述上升为定量的描述了。我们原先觉得不太好回答的问题“正 三角形与正方形谁更对称一些?”,现在有了明确的答案:由于 S(K2 ) = 8 ,S(K4 ) = 6 ,8 大于 6,所以正方形比正三角形更对称一些。
中元素的个数 S(K ) ,作为衡量平面图形 K 的对称性强弱的一个量化 指标。至此完成了我们的抽象。
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我们又把这一抽象应用到实践中去,发现与我们起初的直观是 吻合的。这样就完成源自文库“从实践中来,又到实践中去”的全过程。
二、 n 元多项式的对称
三、集合上的可逆变换,子集的对称变换与子集的对称 现在我们把讨论“平面图形的对称”及“ n 元多项式的对称”中 形成的数学思想综合起来,用“子集的对称”的语言来统一地描述任 一客观事物的“对称”。
1. 集合上的可逆变换,子集的对称变换 设 M 是一个集合,则 M 到自身的一个映射称为“M 上的一个
变换”;M 到自身的一个 可逆映射称为“M 上的一个可逆变换”。
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集合 M 上的可逆变换ϕ ,使 M 中每一个元素都发生了“变化”(“不 变”也看作是一种“变化”),但在整体上又保持 M 不变(即 M “整 个地”还变为 M :ϕ(M ) = M )。但对于 M 的某个子集 N ,情况就不一 样了,可能ϕ 在整体上保持 N 不变:ϕ(N) = N; ;也可能ϕ 不能在整体 上保持 N 不变:ϕ(N ) ≠ N 。
先分别求出与它们相应的“对称集”
S(K1 ) , S(K2 ) , S(K3 ) , S(K4 ) , S(K5 ) , S(K6 ) ,再求出这些“对称集”中元
素的个数,以“量化”其对称性。
先看圆 K1 。在平面关于 K1 的任何一条直径的反射下, K1 不变; 在平面绕圆心旋转θ 角( 0ο ≤ θ < 360ο)的旋转下 K1 不变;而这样的反
一 、平面图形的对称 1. 在运动中看 “对称” 人们一般会说,大圆与小圆有相同的对称性,大正方形与小正 方形有相同的对称性;也会说,圆比正方形更对称些,正六边形比 正三角形更对称些,正三角形比等腰三角形更对称些,等腰三角形 比一般三角形更对称些。
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K1
K2
K3
K4
K5
K6
如果再向:正三角形与正方形谁更对称一些?该怎么回答? 这就需要把“平面图形的对称”这个直观概念搞得更确切一些。 许多人可能知道,平面图形的对称分三类:轴对称、中心对称、 n 次中心对称。其实,这里还忽略了一类——“平移对称”,即一个 平面图形,沿着一个方向,每间隔长度 a 重复一次得到的新图形。这 样构成的新的平面图形也具有某种对称性,称之为“平移对称”。例 如很多“带饰”就是具有“平移对称”的。
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在“ n 元多项式的对称”那段,就是我们所说的“ n 元置换”。每一个 “保距变换”是平面 R2 到平面 R2 的一个有特点(保距)的映射,它 在变化平面 R2 的同时,一般也变化了其中任一平面图形 K 。现在, 我们把“保距变换”和“ n 元置换”统一表述为“集合 M 上的可逆变 换”ϕ ,它在变化集合 M 的同时,一般也变化了其中任一子集 N ,使
使之成为ϕ(N ),但有些可逆变换却使 N 整体上保持不变,即ϕ(N )= N 。
我们称使 N 整体上保持不变的那些可逆变换为 N 的对称变换,并且把
下图就是一个“带饰”,它可以作为腰带的装饰。
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关于“对称”,我们希望从原来静止的观点,发展为运动的观点, 让静的平面图形动起来,在运动中看对称。用运动的观点去考察事物, 研究事物,能够更好地把握事物的本质,是常用的方法。
“平移对称”,用运动的观点也可以叙述成:如果一个平面图形, 沿着一个方向移动长度 a 后与原图形重合,这样的图形叫作是“平移 对称”的。
之成为ϕ(N )。
“变中有不变”的“不变”,在“平面图形的对称”那段,是指 “运动”在变化平面 R2 的同时,一般也变化了所考察的平面图形 K , 但有些“运动”却使 K 整体上保持不变,我们把所有这样的“运动” 放到一起,记作 S(K) ,称为“ K 的对称集”。
现在,我们用“集合上的可逆变换与子集的对称”的语言,把这 一段的内容统一地叙述为:集合 M 上的(被考虑范围内的)可逆变换 ϕ ,在变化集合 M 的同时,一般也变化了 M 中我们所考察的子集 N ,
2. 子集的对称 现在,我们希望“数学地”描述任一客观事物的对称性,我们用 “子集的对称”的语言来做到这一点。
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首先,任一客观事物都可以看作一个更大的客观事物中的一部 分,用数学术语说,就是:任一客观事物都可以看作某一个集合 M 的 子集 N 。特别,N 可以看作 N 自身的子集。当然, 为了比较多个 事物 N1,…, Nk 的对称性,我们需要找一个合适的大集合 M,把 N1,…,Nk 都看作这个 M 的子集。例如讨论圆、正方形、正六边形、 正三角形、等腰三角形、一般三角形的对称性时,我们取 M=R2 为 整个平面上全体点的集合,平面图形 K 可以看作是平面 R2 的一个子 集。
概括地说,“变”,是对整个集合而言的,是指集合上的(在考虑 范围内的)所有可逆变换,都改变了集合中的元素和子集;“不变”, 是对考察的子集而言的,是指上述可逆变换中使所考察子集在整体上 保持不变的那些可逆变换,即子集的对称变换。下边我们结合前面讲 过的内容详加解释。
“变中有不变”的“变”,在“平面图形的对称”那段,就是我 们所说的“保距变换”(包括反射、旋转、平移以及它们的相继作用);
(十一)
第四章 若干数学观点中的数学文化 第一节 “对称”的观点
在日常生活中,我们会看到各种各样的“对称”,下面,我们把 这些关于“对称”的感性认识,上升为理性认识。也就是说,我们要 考虑如何把它们当中共同的本质抽象出来,用数学语言理性地描述 “对称”。
那么,什么是对称的共性?什么是对称的本质?这需要对“对称” 进行分析。下面我们先对“平面图形的对称”进行分析,再对“ n 元 多项式的对称”进行分析,继而把它们综合起来,得到关于“对称” 的统一的本质。
S(K1) > S(K2 ) ,我们就说 K1 的对称性好于(或强于) K2 的对称性, 也说 K1 比 K2 更对称些。这样,我们就把对“对称”的感性认识,抽 象上升为一种理性认识了。
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那么,这种抽象与直观相符程度如何呢?让我们再回到具体例 子中,通过实践来考察。
3. 抽象观点与具体例子的对照 我们用这样的抽象观点来看看上段所说的圆(记为 K1 ),正方形 (记为 K2 ),正六边形(记为 K3 ),正三角形(记为 K4 ),等腰三角 形(记为 K5 )和一般三角形(记为 K6 ),看谁的对称性较强,谁的 对称性最弱。
S(K2 )就是包含上边 8 个运动的集合,所以 S(K2 ) = 8 。
旋转 0ο与平移 a = 0 ,都是“不动”的保距变换,只能算一个保 距变换,不能算两个。如果每次都要说这番话,太麻烦了。我们不 如把这种“不动”的保距变换单列一类,叫“恒等变换”;对任意平
面图形 K ,恒等变换总在 S(K )中。
4.小结 对“平面图形的对称”的抽象过程: 首先是从由静到动的观点考察平面图形的“对称”,发现了“对 称”具有某种“变中有不变”的性质,我们抓住了这种不变性,认 定它是对称的本质;然后,把平面上的反射、旋转和平移及其相继 实施,统一简称为“保距变换”;接下去,对于某个平面图形 K ,我
们把保持 K 不变的保距变换放到一起,构成一个集合,记为 S(K ), 称之为“ K 的对称集”,用它来描述 K 的对称性;最后,我们把 S(K )
再看等腰三角形 K5 。在“恒等变换”下 K5 不变;在平面关于 K5 的顶角的角平分线的反射下, K5 不变。所以, S(K5 ) = 2 。
再看一般三角形 K6 。只有在“恒等变换”下 K6 才不变。所以, S(K6) = 1。
从而,以上六个图形按对称性强弱排序,从强到弱的顺序应为: 圆 K1 ,正六边形 K3 ,正方形 K2 ,正三角形 K4 ,等腰三角形 K5 , 一般三角形 K6 。 并有对称性强弱的量化的描述分别为:
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