평면의 결정군
평면의 결정군(平面-結晶群) 또는 평면의 대칭군, 벽지군은 2차원 평면을 채우는 반복적인 패턴에 대해, 이 패턴들을 각 패턴이 가지고 있는 대칭성을 기준으로 하는 군으로 분류하는 방법이다. 이 패턴들은 총 17개의 군으로 분류할 수 있다. 평면의 결정군은 2차원 공간군에 속한다.
평면을 덮을 수 있는 무늬에는 여러 가지가 존재하지만, 특정한 정사각형 모양의 패턴을 반복해서 만들 수 있는 무늬에는 대칭성이 제한적으로 존재한다. 다른 무늬를 가지고 있는 패턴이라도 같은 대칭성을 가질 수 있으며, 이러한 같은 대칭성을 가지는 패턴들을 하나로 묶어서 분류할 수 있다.
평면의 결정군은 그들의 대칭성에 의해 패턴이 분류된다. 모양, 색깔, 크기 또는 방향이 다른 패턴일지라도 같은 대칭성을 갖는다면, 같은 군으로 분류되며, 반면, 겉보기에는 작은 차이점이지만, 이것이 대칭성에 영향을 미쳐 서로 다른 군에 속하게 될 수 있다.
다음의 예들을 살펴보자.
예 A와 B는 p4m라는 같은 평면의 결정군에 속한다. 예 C는 p4g라는 다른 평면의 결정군을 가진다. A와 B가 보이는 패턴은 상당히 달라보이지만, 동일한 대칭성을 갖기 때문에 같은 평면의 결정군에 속한다. 반면에 C는 유사해 보이지만, 다른 대칭성을 갖는다.
평면의 결정군이 가능한 17가지의 목록은 아래에서 확인할 수 있다.
간단히 말하자면, 패턴의 대칭성이란 패턴에 어떤 변환을 가했을 때, 변환한 후에 원래와 같은 패턴이 나타나게 하는 변환을 말한다. 예를 들면, 평행이동의 대칭성은 패턴을 일정한 거리만큼 이동한 후에도 모양이 변하지 않을 때를 나타낸다. 수직 줄무늬들로 이루어진 패턴을 줄무늬끼리의 간격만큼 수평으로 이동하는 변환을 생각하자. 이 변환에 의해 수직 줄무늬 패턴은 변하지 않는다. 엄밀하게 말해서, 대칭은 정확하게 반복되는 무한히 연속적인 패턴에서만 존재한다. 자, 다섯 개의 줄무늬를 생각해 보면, 같은 평행이동이 대칭성을 갖지 않는다. 왜냐하면, 변환 후, 첫 번째 줄무늬는 "사라지고" 새로운 줄무늬가 끝에 "더해지기" 때문이다. 그러나 실제로는 분류는 유한의 형태에 대해서도 대칭성을 적용하고 작은 결함은 무시할 것이다.
때때로 형상만 고려하거나 거기에 색깔까지 고려하는 두 가지 분류로 나누는 것은 유용하다. 색깔을 무시하면 더 많은 대칭성이 존재한다.
흑과 백, 두 가지 색에서는 17가지 결정군이 존재한다. 왜냐하면 예를 들어 흑백의 색이 있는 채우기는, 각 타일의 질량중심에 그 색이 방사형으로 기록된 환형 대칭 "바 코드" 와 같기 때문이다.
여기에 관련된 변환들의 형태가 평면 등장변환들이다. 예를 들어 :
하지만, 예시C의 경우는 다르다. C는 수평 방향과 수직 방향으로만 반사변환을 가지며, 대각선 방향으로는 가지지 않는다. 만약 대각선 방향으로 뒤집으면, 다시 같은 패턴을 얻지 못한다. 여기서 얻어지는 것은 원래의 패턴이 일정한 거리만큼 움직인 패턴이다. 이 점이 바로 A와 B가 C와는 다른 결정군을 가지는 이유중 하나가 된다.
수학적으로 벽지군 또는 평면결정군은 두 개의 선형 독립인 평행이동(translation)을 포함하는 유클리드 평면의 등장변환의 위상적인 이산 군의 한 유형이다. 이러한 두 등장변환 그룹들이 만약 평면에서 같은 아핀변환을 가진다면 같은 유형(같은 벽지군)이다. 그러므로 평면의 평행이동이(그대로 반영하는 이동(mirror)과 중심에 대하여 이동시키는 변환(rotation)은 월페이퍼 그룹에 영향을 미치지 않는다. 평행이동 벡터들 사이의 각의 변화들에 대한 같은 적용은 그것들이 더해지지 않거나 어떠한 대칭을 제거하지 않는다는 것을 제공한다.(이것은 그대로 반영하는 이동이 없거나 미끄러지는 반사가 없거나, 회전 반사가 최대한 2차원인 경우뿐이다.) 3차원에서의 경우와 같지않게, 원래의 것을 보존하는 것들에 대하여 아핀변환을 동등하게 제한할 수 있다. 모든 월페이퍼 그룹들은 추상적인 그룹들(두 개가 Z에 대하여 같은 모양을 가지는 띠모양 장식 그룹들에 대항하는 그룹)이라 할지라도 다르다는 비버바흐(Bieberbach) 정리를 따른다. 두배의 이동 대칭을 가지는 2차원 유형들은 그들의 대칭그룹의 유형에 따라 분류될 수 있다.
평면의 등장변환은 다음과 같이 네 가지로 나뉜다.일차 독립적 평행이동의 조건은 어떤 일차 독립인 벡터 "v"와"w"가 존재하여 "T" 와 "T"가 그 결정군에 포함됨을 의미한다.
이러한 조건의 목적은 평면의 결정군을 오직 하나의 독립적 평행이동을 가진 일차원적 대칭군(frieze group)과 전혀 평행이동을 가지지 않는 이차원 이산적 대칭군으로부터 구분하기 위해서이다. 다시 말해 일차원적 대칭군(frieze group)은 오직 한 축(한 방향)을 따라 패턴을 반복하는 것이지만 평면의 결정군은 두 개의 다른 방향으로 패턴을 반복하는 것이다.
불연속성의 조건은 그룹 안에 임의의 양의 실수 입실론이 존재할 때, 평행이동 Tv에 해당하는 적어도 그 입실론만큼의 길이를 가지는 v벡터가 존재한다는 것이다. (단, v가 영벡터일 경우는 제외한다.)
이 불연속성의 조건을 통해 그룹이 완전 연속인 근본적인 정의역 또는 평면을 통과하는 거듭된 유한한 범위를 가지는 영이 아닌 "cell" 이 있다는 것을 알 수 있다. 불연속성 조건 없이 우리는 어떤 월페이퍼 패턴에 따르지 않는 모든 유리수에 대해 평행이동 Tx를 포함하는 그룹을 사례를 들지도 모른다.
독립적인 변환을 지닌 결합에서 불연속성 조건에서의 명백하지 않은 중요한 결과는 그룹은 오직 2,3,4 또는 6번의 회전을 포함할 수 있다는 것이다.
이것은 즉 그 그룹에 모든 회전은 180`,120`,90`또는60`로 회전된다. 이 사실은 crystallographic 제한적 이론으로 알려져 있다. 그리고 이 사실은 고차원의 경우에 대해서도 일반화된다.
결정군은 서로 구별되는 230개의 공간군과 17개 이상의 평면결정군을 가지고 있으나, 군 상에서의 대칭성은 같은 것들이 많다. 따라서 우리는 칼 헤르만(Carl Hermann)과 샤를-빅터 모갱(Charles-Victor Mauguin)의 방법으로 이러한 군들을 유사하게 표현할 수 있다. 예를 들면, 헤르만-모갱형(Hermann-Mauguin style)이라는 정식명을 가진 평면 결정군은 네 개의 문자나 자릿수만으로 p31m와 같이 표기할 수 있고, 보통 더 간단히 cmm또는 pg라고도 쓸 수 있다.
평면결정군의 정식명은 p("원시 셀(primitive cell)" 에 해당) 또는 c("면 중심 셀(face-centred cell)" 에 해당)로 시작된다.(이들에 대해 아래에서 설명하겠다.) 이것은 회전대칭의 최고위수를 나타내는 숫자, n을 따른다: 1-fold(없음), 2-fold, 3-fold, 4-fold, 6-fold. 다음에 오는 2개의 기호는 주축으로 일컬어지는 그 패턴의 평행이동 축과 관련 있는 대칭을 가리킨다. 만약 평행이동 축에 수직인 거울반사가 있다면 우리는 그 축을 주축으로 선택한다. (혹은 만약 2개가 있다면 2개 중에 하나를 주축으로 선택한다.)
그 기호는 각각 거울반사, 미끄럼반사, 아무것도 아님을 말하는 m, g, 1중의 하나이다. 거울 혹은 미끄럼반사의 축은 첫 번째 글자의 주축에 수직이고, 두 번째 글자의 주축에 대해서 평행이거나 180°/n(n >2일 때)기울어진다.
많은 그룹들은 주어진 반사들에 의해 함축된 다른 대칭들을 포함한다. 짧은 표기법은 다른 그룹과 혼동되지 않는 한 숫자나 추론할 수 있는 m 은 생략한다. 원시 셀(primitive cell)은 격자 평행이동에 의해 반복되는 가장 작은 영역이다. 두개의 평면대칭그룹을 제외한,모든 평면대칭그룹은 격자의 평행이동벡터를 사용하는 좌표 기저의 원시 셀(primitive cell) 축에 관해서 표현된다. 나머지 두 개의 대칭 표현은 원시 셀(primitive cell) 보다 큰 중심 셀(face-centred cell) 의한 것이다.그러므로 내부 반복을 하게 된다. 그것들의 내부 방향은 평행이동벡터가 생성하는 원시 셀(primitive cell)의 것들과는 다르다. 결정군을 나타내는 헤어만-모갱 표기법(Hermann-Mauguin notation)은 추가적 셀의 유형을 나타내는 표기를 사용한다.
예
아래는 단축과 정식 명칭이 다른 결정군의 리스트이다.
나머지 것들의 명칭은p1, p3, p3m1, p31m, p4, 그리고 p6이다.
존 호턴 콘웨이(Conway, 1992년)에 의해 소개된, 평면의 결정군(wallpaper group)에서의 오비폴드 표기법은 결정학이 아닌 위상수학에 기반을 두고 있다. 무한한 주기를 가진 타일들의 핵심으로 평면을 덮는다(이를 오비폴드라 한다). 몇 가지의 기호들로 이것을 표현할 수 있다.
결정학 표기법에서 cmm(콘웨이 표기법)이라 표기된 그룹들은 2*22이라 표현된다. *앞에 있는 2는 그것을 통하는 거울이 없는 180도의 회전변환의 중심을 를 뜻하고 *는 스스로 하나의 거울을 가지고 있단 것을 뜻한다. * 다음에 있는 첫 번째2는 거울 위의 중심에서 180도의 회전변환을 말하고 마지막에 쓰여진 2는 거울위의 중심에서 독립적인 두 번째 180도의 회전변환을 말한다.하지만 이 거울은 첫 번째 거울 대칭에서와 같은 것이 아니다.
pgg라쓰이는 그룹은 22x라 표현된다. 우리는 두 개의 180도의 회전변환의 중심과 미끄럼 반사변환의 축을 가지고 있다. pmg와 비교하면 콘웨이(conway) 22*는 (결정학 표기법에서 미끄럼이라 언급된 것) 다른 오비폴드의 대칭을 내포한다.
오비폴드는 꼭짓점과 선분 그리고 면을 가지므로 일반적으로 다각형 으로 생각할 수 있다. 기하학적으로는 불규칙적 매장에 의해서 생겨진 것이므로 다각형과는 구분된다. 이를 매장으로 역으로 펼쳐내면, 이들 다각형은 평면의 결정군의 작용에 의해 무한번 반복되며 평면 전체를 주어진 다각형조각의 타일로 덮게 된다. 주어진 결정군의 콘웨이 오비폴드 표기법이 표시하는 바에 따라서 다각형이 무한 번 평면에 복제된다. 이 묘사가 17개 평면의 결정군을 결정하는 중요한 열쇠이다.
먼저 정육면체를 살펴보면 꼭짓점, 모서리, 면으로 되어있다. 8개의 꼭짓점과 12개의 모서리, 6개의 면으로 되어있음을 알 수 있다. 덧셈과 뺄셈을 교대로 해보면 8 − 12 + 6 = 2 임을 확인할 수 있다. 이제 정사면체를 생각해보자. 사면체는 4개의 꼭짓점, 6개의 모서리, 그리고 4개의 면(역시 4 - 6 + 4 = 2 임을 알 수 있다.)으로 되어있다. 더 연구해 보자. 하나의 면을 새로운 모서리로 분할하면, 두 개의 면이 된다. 여기서 4 − 7 + 5 = 2 임을 얻게 된다. 다음으로, 하나의 모서리를 새로운 꼭짓점으로 분할하면, 두 개의 모서리가 된다. 이로 인해 5 − 8 + 5 = 2 임을 얻을 수 있다. 이는 동시에 발생할 수 없다.(오일러의 표수< χ = V − E + F>에서도 드러나고, 그것의 불변성 증명의 시작에서도 보인다.)
오비폴드가 평면전체를 채우기 위하여 대칭으로 복제할 때,그것의 모양은 오일러 표수에 모순이 없는 꼭짓점, 모서리, 그리고 다각형 면의 구조를 이룬다. 그 과정을 역으로 하면, 우리는 오비폴드의 모양에 전체번호는 아니지만 부분적으로 번호를 매길 수 있다. 오비폴드 그 자체는 대칭군에 의한 전체 표면의 비율이므로, 오비폴드 오일러 표수는 대칭군의 순서에 의한 표면 오일러 표수의 비율이다. 오비폴드 오일러 표수는 2 빼기 다음수의 합이다, 그 합은 다음과 같이 계산된다.벽지군의 오일러 표수는 0이어야 한다. 따라서 위의 합은 2가 되어야 한다.
예
이제 모든 벽지군을 찾는 문제가 앞서 설명한 값들의 합을 구하는 간단한 덧셈으로 바뀌었다. 이외의 값은 평면의 타일링이 아니므로 여기서 다루지 않는다. 오비폴드 오일러 표수가 음수인 경우는 초월적, 오비폴드 오일러 표수가 양수인 경우는 구면적이라 한다.
평면의 결정군에 일치하는 주어진 구조를 알아내려면 아래의 표를 이용해야 할 것이다.
우측을 연결하시면 과 정보를 보실 수 있습니다.
아래의 목록의 각 군마다 두 개의 셀 다이어그램이 있는데 이를 해석하는 방법은 다음과 같다:
오른쪽에 있는 다이어그램은 대칭원소 중 다른 동치류의 색깔(과 회전하여)을 달리하여 나타내었다.
갈색이나 노란색 영역은 기본영역(fundamental domain) 즉, 반복되는 형태의 최소 영역을 의미한다.
오른쪽의 다이어그램은 격자점군(lattice group)의 최소의 평행이동변환에 의한 기본영역을 표시한다. 따라서 왼쪽의 그림이 우측보다 큰 경우도 있다.
영역을 구성하는 두 평행이동변환은 서로 다른 길이를 가질 수 있으며, 사이각도 임의의 각을 이룰 수 있다.
돗자리의 안쪽인 지그재그 묶음을 자세히 살펴보지 않으면 이것은 pmg이다. 갈색과 검은색 사이의 구분없이 자세히 살펴보면 이것은 pgg이다.
벽돌의 가장자리의 물결무늬를 무시하면, 포장한 바닥은 pgg이다.
예제는 (마치 도표처럼) 가장 작은 수평과 수직의 평행이동변환을 나타낸다.
예제는 (마치 체스판처럼) 가장 작은 대각선의 평행이동변환을 나타낸다.
격자선은 다섯 가지 형태가 존재한다. 격자선들은 각각 다섯 개의 결정군과 대응을 이룬다. 평행대칭성을 가지는 결정군은 격자선보다는 작은 대칭 구조를 가진다.
실제로 대칭군은 평면의 결정군과는 구분되어야 한다. 뒷부분은 대칭군의 목록에 대한 것이다. 총 17가지의 종류가 있었지만 그 각각은 등장변환의 기본적 이해에 의해 무한히 많은 대칭군을 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이것은 평면의 결정군뿐만 아니라 평행이동 벡터와 방향 그리고 반사축이나 회전중심의 위치에 의존한다.
자유도 는:
하지만 평면의 결정군 안에서는 모든 대칭군은 서로 대수학적으로 동형이다.
몇 가지 동형인 대칭군들:한 변환이 대칭성을 감소시킬 때, 분명하게 몇몇 패턴에 대한 같은 종류(그 역)의 변환은 그 대칭성을 증가시킨다는 점에 주의해야 한다.
패턴의 그러한 특별한 성질(예, 한 방향에서의 확장은 4-fold 대칭성을 가진 패턴을 만든다) 은 여분의 대칭성의 형태로 포함되지 않는다.
만약 변하기 전에 같은 색을 가진 어떤 두 점이 또한 변화 후에도 같은 색을 가지고, 또한 변하기 전에 다른 색을 가진 어떤 두 점이 변화 후에도 다른 색을 가진다면, 색의 변환은 평면의 결정군에 영향을 미치지 않는다.
만약 후자가 아니라 전자가 적용된다면 검은색과 흰색에서 한 가지로 색 이미지를 변화시킬 때, 대칭성은 보존되지만 평면의 결정군이 변하기 위해 대칭성이 증가할 수도 있다.