Алексей Лосев – Диалектические основы математики (страница 171)

a) Под плоской точечной решеткой понимается результат [отображения] двух векторов: p₁ и p₂ (не на одной прямой), откладывающих x₁ и x₂ раз (x₁x₂ = 0, ±1, ±2, …) одно и то же единичное расстояние x₁p₁ + x₂p₂. Точечная решетка есть точки с целочисленными координатами в той или иной прямолинейной системе координат. Или, наоборот, для всякой решетки точек можно конструировать такую систему координат, для которой p₁ и p₂ являются единичными векторами обеих осей. Конгруэнтное отображение точечной решетки на саму себя называется ее симметрией. Ее можно установить или при помощи вращения всей плоскости вокруг той или иной точки, или при помощи зеркального отображения относительно данной оси симметрии. Все эти движения точечной решетки образуют группу. Спрашивается: какова же структура этой группы?

b) Остановимся на группе вращений. С самого начала ясно, что всякая точечная решетка допускает относительно любой своей точки вращение на 180° в условиях совпадения всей решетки с самой собою, так как всякая прямая в результате такого вращения совпадает сама с собою. Но отсюда следует, что группы вращения могут быть в нашем случае только четного порядка. Так, возьмем группу 4-го порядка, т.е. будем вращать нашу решетку вокруг некоторой точки 0 на углы по 90°. Мы убеждаемся, что если при вращении на 180° любая решетка совпадает с самой собой, то при вращении на 90° совпадает с самой собой только квадратная решетка. Легко заметить также, что существует одна решетка, совпадающая сама [с] собою при вращении на 60°, т.е. при вращении 6-го порядка. Это та, которая состоит из ряда равносторонних треугольников, или гексагональная. Меньше чем на 60° не допускает вращения ни одна решетка, совпадающая с собою, потому что стороны образующегося при соединении ближайших от центра точек многоугольника оказались бы меньше единичного расстояния в решетке и, след., вся точечная система нарушается.

Итак, группа вращений решетки, совпадающей с самой собой, может быть 2, 4 и 6-го порядков, и только этих порядков, причем в первом случае решетка может быть любой формы, т.е. прямоугольной и параллелограммной, во втором – она обязательно квадратная и в третьем – обязательно гексагональная.

c) Посмотрим, каковы возможные здесь зеркальные отражения. Прямоугольная, и в частности квадратная, решетка зеркально отображается относительно любых прямых решетки, а также относительно прямых, им параллельных и проходящих через центры прямоугольников. Что же касается непрямоугольных решеток, то единственной допускающей отображение на саму себя является ромбовидная решетка, которая может быть получена из прямоугольной путем прибавления к ней в качестве точек решетки центров прямоугольников, так как в данном случае стороны прежнего прямоугольника являются взаимно перпендикулярными диагоналями полученных ромбов. Таким образом, группа ромбовидных зеркальных отображений тождественна с группой прямоугольных.

Итак, мы имеем три группы вращений и одну группу зеркальных отображений. Ни при каких других условиях вращения и отображения плоская решетка не совпадает сама с собой.

d) И вращения, и отображения могут еще соединяться с переносом. Посмотрим, как это возможно. Что касается вращений, то всякое вращение с переносом можно заменить просто другим вращением. Вращение вокруг точки на 180°, соединенное с переносом 0 в 0′, тождественно с таким же вращением около середины отрезка 00′. Поэтому плоскую решетку можно вращать на 180° не только около ее общих точек, но и около точек посредине между любыми двумя точками. Из этих новых центров вращения вместе с точками данной решетки получится другая решетка, подобная первоначальной и половинного в сравнении с нею измерения. Квадратная решетка допускает, кроме того, вращение на 90° вокруг средних точек квадратов. Эти новые центры вращения образуют свою квадратную решетку, повернутую в отношении старой на 45° и в отношении к ней половинную по площади. Что же касается вращения на 60°, то тут центрами вращения могут быть только точки самой решетки, потому что средние точки равносторонних треугольников в качестве центров вращения дали бы вращение уже 3-го порядка.

Таким образом, только вращения 2-го и 4-го порядков могут дать в соединении с переносом центры вращения, отличные от точек решетки. Вращение же 6-го порядка допускает перенос центра только с одной обыкновенной точки на другую.

Что же теперь делается с осями отражения, когда к последнему присоединяется перенос? Всякий такой перенос может быть разложен на перпендикулярный к оси отражения и на параллельный к ней. Если направление переноса перпендикулярно к оси отражения, то результат будет снова отражением, но только относительно оси, проходящей через середину самого переноса. Если же перенос параллелен к оси отражения, то мы получаем скользящее отражение. В случае объединения отражения с переносом мы должны различать прямоугольную и ромбовидную решетки. В первой возможны только обычные оси (или оси скользящего отражения) с той или иной кратностью элементарному расстоянию решетки компонентов переноса по сторонам прямоугольников или через середины сторон параллельно другим сторонам. Во второй решетке кроме обычных осей отражения по параллельным прямым самой решетки возможна посредине каждых двух параллельных еще ось скользящего отражения.

e) Приведем в качестве примера на группу вращений и зеркальных отражений плоской решетки мозаику храма Изиды в Помпее (рис. 12). Чтобы разобраться в структуре этой мозаики, отбросим то, что не соответствует здесь основной симметрии. Тут мы находим в шестиугольниках круги с фигурой в пять лучей. Очевидно, единой группы вращения здесь не может получиться. Равным образом скрещенные овалы предполагают вращение на 90°; места же, на которых они находятся, вращаются только на 180°. Наконец, вверху и внизу мы находим шесть полумесяцев, которые тоже трудно объединить с общей системой вращений. Остается, стало быть, только шестиугольная решетка, она же и ромбовидная, которую легче обозреть на такой схеме (считая, что круги с пятилучевой фигурой находятся в точках решетки) (рис. 13).

Перед нами тут гексагональная решетка. Другими словами, перед нами тут группа вращений 6-го порядка плоской решетки. Здесь легко увидеть все, что говорилось выше о ромбовидной решетке. Тут невозможны вращения на 90°, если мы хотим, чтобы решетка совпадала с самой собой. Невозможно тут и присоединение переноса, которое бы <…>[74] центры вращения в не принадлежащие решетке точки. Зато если иметь в виду ось зеркального отражения, то она допускает не только перенос по сторонам ромбов, но и по скользящей оси посредине между двумя сторонами с половинным размером по сравнению с единичным расстоянием решетки. На рисунке чистые оси отражения проходят через центры пятилучевой фигуры, оси же скользящего отражения – через центры сплетенных овалов.

История орнаментики дает массу прекрасных примеров на разнообразные группы. Тут мы находим группу зеркальных отражений, группу скользящих зеркальных отражений, группу переносов, группы вращений на 60°, 90°, 120° и 180°. G. Polya[75] перечисляет 17 разных групп, приводя соответствующую таблицу. Пользуясь этими указаниями, а также указаниями упомянутого A. Speiser’a, приведем несколько примеров из египетской орнаментики[76].

Рис. 14 дает нам прямоугольную решетку. Основная фигура повторяется тут в зеркальных отражениях. Оси симметрии совпадают с осями отражения, отстоящими одна от другой на половину решеточного расстояния. Схемой этой группы служит рис. 15.

Рис. 16 дает ромбовидную решетку типа схемы рис. 17. Основная фигура орнамента обладает средней точкой, через которую проходят две оси отражения. Решетка переносов лучше всего видна на розетках. Через лилии проходят горизонтально простые и скользящие оси. Вертикальные оси также смешанные. Скользящие оси – между лилиями.

Орнамент рис. 18 построен по схеме 19. Здесь основная фигура возникает из фигуры с центром через отражение относительно оси, не проходящей через этот центр. Оси симметрии, параллельные к ней, суть только простые оси отражения, перпендикулярные же – только скользящие оси. В орнаменте можно отбросить основные завитки: получится фигура с той же группой симметрии, типа рис. 20, но с вертикальным переносом. Наоборот, если оставить одни завитки, то группа продолжает быть точно указанного типа (рис. 19), который можно получить из рис. 21 с продолжением отражения.

На рис. 22 мы находим группу вращений на 90° без всяких отражений. Это квадратная решетка с основной фигурой, допускающей только указанное вращение, и ничего более. Ее схема – рис. 23.

Менее интересен орнамент рис. 24 с основной фигурой, обладающей вращением на 90° и четырьмя осями отражения, которые проходят через ее центр, наподобие креста с равными концами. Здесь, так сказать, слишком «буквальные» отражения. Гораздо сложнее зато орнамент на рис. 25. Тут основная фигура возникает из фигуры с вращением в 90° через отражение относительно оси, не проходящей через центр. Оси симметрии, параллельные к сторонам квадратов, являются осями отражения, но только они не проходят через неподвижные точки вращений, проходя посредине между ними. Обе совокупности других осей состоят только из осей скользящего отражения. Решетка переносов здесь тоже квадратная, хотя ее и не сразу видно (нужно повернуть рисунок на 45°, и тогда станет заметным квадрат со сторонами, проходящими через четыре средние точки). В орнаментах это обычно. В заключение прибавим еще два примера из восточного искусства. Один[77], рис. 26, – это группа вращений в 60° с 6 складными осями. Основной фигурой является здесь нечто вроде бантика трилистника, который, однако, не сразу выделяется. Этот замечательный образец относится к XIV в. (мечеть в Каире).