1.简介
由于复杂系统和网络之间的密切联系,网络科学已经超越了图论固有的数学兴趣。这些联系现在是统计物理学的主要焦点,在统计物理学中,关于“小世界”和“无标度”系统的有趣结果推动了对随机网络的研究(Watts,2003; Barabasi,2002年). 对这些努力的补充是对“水晶网”的研究:三维欧氏空间中图形的三次周期嵌入。对水晶网的兴趣源于它们与凝聚材料的基本关联(海德等。, 2008)来自原子晶体(Wells,1977; O'Keeffe&Hyde,1996年; 克莱,2004年)新型框架材料(Ockwig等。, 2005; ?hrström&Larsson,2005年),包括碳多晶型(强等。, 2004),沸石(Treacy等。, 1997; 国际沸石协会,2008),相关氧化物(Zou等。, 2008)和磷酸铝(AlPO)材料(Li等。, 2008),咪唑(ZIF)框架(Banerjee等。, 2008)和金属配位聚合物材料(Blatov等。, 2004; Batten,2001年). 软材料的一些液晶相的微区,包括两亲性和共聚物组装体和衍生介孔固体也通过晶体网络进行表征(Hyde&Schroeder,2003).
本文涉及晶体网络(或只是“网络”)的枚举,这是一个近年来受到推动的主题,这得益于我们在这里也利用的瓷砖理论的进步。我们使用的技术是对采用三维瓷砖理论的更传统方法的补充(Delgado-Friedrichs等。, 1999; 布拉托夫等。, 2007),因为我们主要在非欧几里德(双曲线)二维空间内构建网络,然后投影到三维(欧几里得)空间。晶体网络的任何系统计数都受到组合爆炸问题的限制;因此,不同的方法探索水晶网宇宙的不同区域。事实上,我们的结果在很大程度上是三维技术无法复制的(海德等。, 2006).
我们方法的基本方法是用给定复杂度的所有允许的对称平铺来装饰曲面,然后使用平铺边界的拓扑结构及其在曲面中的嵌入来定义网络。为了引导读者了解网络构建的各个阶段,我们采用了这样的惯例:由顶点、边和面组成的所有平铺都用大写名称表示,而仅由顶点和边组成的网络则使用小写名称。
我们的枚举受到了一类特殊曲面的限制。由于本文将描述的各种原因,我们选择了三次周期最小曲面(TPMS),它在二维双曲线贴片和三维欧几里德网之间提供了一个自然的桥梁。TPMS的特定选择提供了一个过滤器,用于控制二维双曲线和三维欧氏空间中的枚举。这里我们使用最简单的(立方genus-3)TPMS,即Schwarz的原语(P(P))和钻石(D类)曲面和Schoen回转体(克).
胎压监测系统的倾斜,称为电动工具,可以提升到它们的普适覆盖空间,即二维双曲平面.我们称之为瓷砖U形瓷砖,产生我们称之为二维双曲线网h网络或者,我们可以形成TPMS的紧致商空间,其中使原始晶格平移等价于恒等运算,并且得到的曲面是闭genus-3三环面.此有限曲面上的平铺定义O型瓷砖; 随后在三维空间中嵌入氚导致特定的边缘穿线,形成o形网最后,TPMS的平铺可以产生至少两种不同的网络类型,这取决于使用了多少嵌入信息。TPMS中嵌入的网络(沿着E-tiling的边缘)将共享其三维对称性,我们将这些表面网状结构标记为电子网络.忽略表面,只看网络拓扑,我们可以在三维空间中放松网络()给出规范的最大对称形式,称为s网络.
这里我们详细解释了生成各种瓷砖和网格的过程。为了便于参考,我们在表1中对其进行了总结并在图1的流程图中显示枚举的关键步骤具体示例如图2所示.
缩写 | 期限 | 嵌入空间 | 定义 | U形平铺 | 通用盖砖 | | 特定表面相容对称子群和平移单元内的二维双曲线拼接。这些平铺由展开的D符号表示,并用“cuts”进行扩展。 | h-净值 | 双曲线网 | | 二维双曲网仅以拓扑来区分,由该拓扑的唯一最大对称D符号表示。 | O-平铺 | Tritorus表面网状结构 | 特里托鲁斯 | 通过将U形转弯投影到三环面上而获得的平铺。 | o形网 | 有限网络 | | 由嵌入三维空间的O形瓷砖边缘形成的网。这种网络是有限的“分子”网络,相当于环境同位素类。 | 电子平铺 | 胎压监测系统表面网状 | 胎压监测系统 | 通过将U形转弯投影到周期性最小表面上而获得的平铺。通过将U形平铺与覆盖贴图配对来识别此类平铺。 | 电子网络 | `史诗' | | 由E-tiling的顶点和边组成的网络,相当于环境同位素等级。 | s网络 | `Systre网络 | | 三维周期网,仅由拓扑定义,由systre键表示。 | | |
| 图1 一个流程图,描述了枚举过程以及此处考虑的不同类别瓷砖和网络之间的关系。1:在特定子组图表中展开D符号(多对多)(§4). 2:找到最小图像(最大对称)D符号(多对一)(§6.1). 3:将双曲线平铺映射到tritorus上(一对一)(§5.3). 4:嵌入三角板,去除表面,在三维空间中保留边缘(§6.4). 5:将双曲线平铺映射到三周期最小曲面上(一对一)(§5.1). 6:删除面,保留嵌入边和顶点(多对一)(§6.2). 7:找到电子网络拓扑的规范、最大对称形式(多对一)(§6.3). |
| 图2 此图像表显示了从双曲平面(顶部)到欧几里德空间(底部)的地图中的各个阶段。(一)Delaney–服饰符号枚举对称性提供了子组瓷砖,质量控制164,包含五个不同的标志。域以橙色边为界;单个域被着色。(b条)h-净值,总部167是由平铺的边缘和顶点定义的网络的最大对称版本质量控制164. (c(c))我们将子组平铺以形成U形平铺,UQC公司183,这尊重胎压监测系统的局部对称性和平移对称性(在本文中P(P),D类和克表面)。单身(阴影)域来自(一)采用一对几何图形三角形。(d日)U型瓷砖被投影到第三代圆环(tritorus)上O-平铺. (e(电子))嵌入曲面网格的边缘定义了o形网. ((f))双曲线平移单元由的域(c(c))由橙色多边形高亮显示。(克)此多边形投影到D类表面提供E-tiling,EDC公司183,其菱形晶胞如图所示。(小时)上的投影平铺边界D类形成三周期的表面电子网络,电子数据中心183,带空间组 P(P)4232.一张单人床晶胞如图所示,为清晰起见,四边形循环以紫色突出显示。(我)s网络,平方厘米7388是e-net拓扑的最高对称嵌入空间组 . |
为了说明双曲tilings,我们需要一个双曲平面的模型,它就像球体的表面一样,不容易在页面上成像而不失真。本文使用Poincarédisc模型(Stillwell,1989)对双曲面进行了说明). 巨大的双曲线空间被压缩成一个单位圆盘,代价是距离大大缩短,距离越来越向圆盘的周长收缩。这个模型很有吸引力,因为它是共形的,没有从双曲空间到圆盘的映射引起的角度失真;然而,双曲线被成像为与圆盘边界呈90°相交的圆弧。本导言部分的其余部分提供了论文的大纲。
我们枚举方案的观察结果是,TPMS的内在几何和对称性与二维双曲等距离散群有关。因此,可以像欧几里德平面缠绕圆柱一样,将双曲线平面缠绕到TPMS上。这种包装形式上由覆盖图,详细描述了原语(P(P)),菱形(D类)和回转体(克)§2中的表面.确定合适的覆盖图是枚举过程的重要组成部分。此外,在无穷多种二维双曲线平铺中,我们选择对称性为与胎压监测系统的局部对称性和平移对称性相称。这些允许的对称性在早期的一篇论文中提出(罗宾斯等。, 2004一). 在当前的论文中,我们主要关注其中的一个子集:万花筒的仅由反射生成的组。
适当双曲线瓷砖的枚举涉及组合瓷砖理论的直接应用,该理论由Dress、Huson和Delgado-Friedrichs(Dress,1987)开发; Dress&Huson,1987年; 德尔加多·弗里德里希斯,1994年). 我们在§3中概述了他们的技术; 附录中总结了技术定义B类.
在§4中我们描述了如何在因此,它们与覆盖图的对称性是相容的。该过程涉及多个步骤,这些步骤扩展了Delaney–Dress理论,以解释拓扑复杂胎压监测系统上的等效瓷砖。这是本文的技术核心,涉及组合算法和群理论算法。然后我们在§5.1中讨论这些双曲线瓷砖是如何投影到TPMS上的,并呈现出由此产生的表面网状结构的空间组对称性。
在§6中我们丢弃了平铺信息,并检查了由边和顶点定义的网络的拓扑结构。
为了进一步阐明我们的技术,我们通过§7中一个完整的示例来从头到尾说明程序.
万花筒瓷砖计数过程的输出总结在§§6中和9,并强调由此产生的e-和s-网络的多样性。这些结果太过广泛,无法在出版物中捕捉到任何细节。因此,我们建立了在线史诗数据库(Ramsden等。, 2005)该网站提供了链接瓷砖和网络的数据和图像的详细可搜索目录。
未来,该项目将按照§8中概述的方向,探索非千变万化的瓷砖因此,我们写这篇论文是为了提供一个详细的基础,在这个基础上,我们将构建一套不断发展的网络数据。虽然基础总是会使阅读变得枯燥乏味,但需要它们来解释更丰富、更有趣的内容上部结构。因此,我们敦促读者结合史诗数据库,可从访问网址:https://epinet.anu.edu.au.
2.双曲对称性和覆盖映射
注意在本文中,我们用二维对称群的球状符号来表示它们,这是Conway(1992)引入的一种符号)并在附录中进行了说明A类.
这个P(P),D类和克表面(如图3所示和4)每个都具有与双曲线反射组。该组由三个反射生成,R(右)1,R(右)2和R(右)三,其镜像线将三角形绑定在角角度为π/4,π/6和π/2.此几何体为组导出了一组关系,
因为操作是反射,所以我们也有R(右)12=R(右)22=R(右)三2=我(身份)。萨多克和夏沃林(1989)定向的确定平移单元P(P),D类和克在双曲平面中拉回相同十二边形的曲面。这些原始的菱形单位细胞和相应的十二边形如图3所示和5.每个曲面的欧几里德平移向量拉回双曲组,该双曲组是由对十二边形相对边的六个平移生成的。这些译文最初在Sadoc&Charvolin(1989)中给出)并在此根据反思:
它们满足以下身份:
这个子组 T型由生成吨我和翻译与第三类环面的基本群同构,因此具有球形符号.
| 图3 的平移单位单元格P(P),D类和克最小曲面。在左栏中,我们显示了原始的菱形单元,它们是由96个三角形构成的双曲十二边形的图像(如图5所示). 在每种情况下,这些基本单位单元用于定向曲面的空间组,即,曲面法线方向(以及两侧的着色)由空间群对称性保持。在右栏中,我们显示了每个表面的2×2×2个常规立方单位单元,其中嵌入了菱形单元。传统的立方体单元是非定向单元的空间群,其中包括交换曲面侧面的对称性。 |
| 图4 放大的P(P),D类和克表面(见图3)曲面上标记了三维欧几里德对称运算。弧线AB公司,不列颠哥伦比亚省和加利福尼亚州对应于二维面内(非欧几里德)反射R(右)2,R(右)1和R(右)三分别适用于所有三个曲面(参见正文)。左图:P(P)曲面,具有对称性(包括交换曲面侧面的等轴测图;为了清晰起见,这些图的颜色不同):A类,B类和C类位于12d日(场地对称), 24小时(米米2)和8c(c)()地点;AB公司和不列颠哥伦比亚省位于正交的镜面中,加利福尼亚州是一个双轴。中间:D类表面():A类,B类和C类位于6d日(), 12(f)(222)和4c(c)()地点;AB公司和不列颠哥伦比亚省是两个轴,加利福尼亚州位于镜像平面中。右图:克表面():A类和C类位于24d日和16一站点,具有点组对称性和分别为;B类位于垂直于曲面的双轴上。 |
| 图5 双曲平面的十二角区域,形成了原始菱面体单元的共同前像P(P),D类和克曲面。深色和浅色三角形是域&十二角平移单元中有96个这样的三角形。将十二边形的对边配对的平移生成双曲线平面的不规则(12,12)平铺,如右图所示。11个额外的十二边形(淡蓝色和亮蓝色交替出现)在中央三角形十二边形的每个顶点相遇。 |
覆盖图,,来自在中的曲面上是一个连续函数,使得曲面上的任何小圆盘都会拉回可数无穷个同构副本,这些副本在双曲平面上形成周期图案。我们构造的覆盖映射具有保角的额外性质,并且与曲面的对称性兼容。这意味着给定曲面的欧几里得对称性,双曲平面具有相应的对称性,,因此因此,覆盖映射定义了双曲对称群之间的关系(群同态)和欧几里德学派空间组表面的。
在P(P)曲面,双曲线反射R(右)1和R(右)2分别映射到(110)和(100)镜面中的欧几里德反射,同时R(右)三映射到位于曲面上的[110]方向的双重旋转轴(因此交换曲面的边)。在D类表面R(右)1和R(右)2在[110]和[100]方向上映射到曲面上的两个旋转轴,以及R(右)三映射到(110)平面中的反射。欧几里德对称克曲面与旋转子组 246属于双曲线反射是克曲面,它们不对应于整个曲面的欧几里德等距线。相反,旋转R(右)1R(右)2映射到[110]方向的双轴,垂直于克表面,R(右)1R(右)三映射到Wyckoff站点的反演中心16一的空间组 [111]方向,以及R(右)2R(右)三映射到Wyckoff站点的反转24d日[001]方向。这些对称性如图4所示更多详细信息可在其他地方找到(罗宾斯等。, 2005; 莫尔纳,2002年).
这个翻译子组 T型,映射到每个定向曲面的欧氏平移格空间组。我们可以通过描述覆盖图的六个生成器如何T型映射到三个独立的欧几里德翻译一,b条,c(c)。对于P(P),D类和克我们选择表2中给出的映射的曲面(其他选择也是可能的,并给出相同的结果)。
表面 | 吨1 | 吨2 | 吨三 | τ1 | τ2 | τ三 | P(P)(立方) | 一 | b条 | c(c) | c(c)−b条 | 一−c(c) | b条−一 | D类(f.c.c.) | 一−c(c) | b条−一 | c(c)−b条 | −b条 | −c(c) | −一 | 克(公元前) | −b条 | −c(c) | −一 | b条+c(c) | 一+c(c) | 一+b条 | | |
只有当平铺的对称性与所选的覆盖图相称时,双曲线平面的平铺才会映射到曲面上的离散网格。这意味着瓷砖应至少具有基本群体表面的[即,一阶同伦群]. 自从P(P),D类和克曲面有无界亏格,其基本群有无穷多个生成元。这些群是同构的,通过覆盖图,到不同的子群T型.只有对称的瓷砖例如,将映射到P(P)表面,并且将与D类和克曲面。本文研究双曲线贴片T型对称性,因为这些瓷砖与所有三个表面兼容,并在。原则上,我们可以使用T型 子组作为平铺枚举的起点,但为了方便起见,我们枚举了位于和T型; 我们早先确定了131个不同的亚组是合适的(包括和T型)(罗宾斯等。, 2004一).
在131个亚组中,到目前为止,我们已经列举了那些对称性仅由反射生成的平铺,即万花筒的子组。有14个这样的子组,由表3中给出的生成器指定. The子组关系如图6所示万花筒子群是数学家所知的一类更广泛的群的例子Coxeter组为了符合即将推出的二维圆形类家族的分类方案,我们将万花筒群的圆形称为考克塞特圆形在14个千变万化的亚组中,只有11个不同的Coxeter圆形。本文给出的结果是从这些万花筒子群导出的,但这些概念和技术适用于(稍作修改)具有其他对称类型的子群。
罗宾斯的号码等。(2004年一) | 子组名称 | 索引在 | 子组生成器 | 131 | | 1 | R(右)1,R(右)2,R(右)三 | 127 | | 2 | R(右)1,R(右)三,R(右)2R(右)三R(右)2 | 125 | | 2 | R(右)2,R(右)三,R(右)1R(右)三R(右)1 | 124 | | 2 | R(右)1,R(右)2,R(右)三R(右)1R(右)三,R(右)三R(右)2R(右)三 | 123 | | 三 | R(右)1,R(右)2,R(右)三R(右)2R(右)三,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三 | 119 | | 4 | R(右)三,R(右)1R(右)三R(右)1,R(右)2R(右)三R(右)2,R(右)1R(右)2R(右)三R(右)2R(右)1 | 107 | | 6 | R(右)2,R(右)三R(右)2R(右)三,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三,R(右)1R(右)三R(右)2R(右)三R(右)1 | 103 | | 6 | R(右)1,R(右)三R(右)2R(右)三,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三,R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2 | 102 | | 6 | R(右)1,R(右)2,R(右)三R(右)2R(右)三,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三 | 101 | | 6 | R(右)1,R(右)2,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三,R(右)三R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2R(右)三,R(右)三R(右)2R(右)1R(右)三R(右)1R(右)2R(右)三 | 96 | | 8 | R(右)1,R(右)三,R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2,R(右)2R(右)三R(右)1R(右)2 R(右)三R(右)1R(右)三 R(右)2R(右)1R(右)三R(右)2 | 64 | | 12 | R(右)三R(右)2R(右)三,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三,R(右)1R(右)三R(右)2R(右)三R(右)1,R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2 | 83 | | 12 | R(右)1,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三,R(右)三R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2R(右)三,R(右)三R(右)2R(右)1R(右)三R(右)1R(右)2R(右)三,R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2,R(右)2R(右)三R(右)2R(右)1R(右)三R(右)1R(右)2R(右)三R(右)2 | 55 | | 12 | R(右)2,R(右)三R(右)2R(右)三,R(右)1R(右)三R(右)2R(右)三R(右)1,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)2R(右)三R(右)1R(右)三,R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三 R(右)2 R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1,R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三 R(右)2 R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)三 | | |
| 图6 14个万花筒子群的极大子群格矩形节点表示正规子群椭球节点表示a共轭类的子组。右栏中的数字是子组索引位于. |
在以下§3中我们从组合平铺理论出发,对相关算法进行了概述。然后我们在§4中讨论如何获取这些抽象表示并生成与表面覆盖图兼容的。
4.嵌入和展开Delaney–服饰符号
在上一节中,我们描述了如何枚举对瓷砖的对称性和拓扑进行编码的Delaney–Dress符号。我们的下一步是采用瓷砖的这些抽象表示,并确定双曲平面中与P(P),D类和克表面覆盖图。我们称此过程为嵌入.
嵌入操作是从单连通二维双曲空间中的分片到多连通三周期极小曲面上的分片的多对多映射。首先,单个D符号可以有多个投影到不同表面网格的实现。其次,两个嵌入的D符号(例如来自不同的子组)可以生成相同的表面网状结构。对嵌入过程的澄清涉及到一些微妙之处,需要我们超越Delaney–Dress-tiling理论,因为标准理论仅适用于简单连接的空间。为了枚举多连接TPMS的不同分片,我们需要在平移域。找到这样的表示称为展开我们称这些嵌入和展开瓷砖U形瓷砖.
在进一步讨论之前,我们必须澄清我们所说的“同一表面网状结构”是什么意思。由于我们的周期最小曲面具有高度对称性,因此如果它们的Delaney–Dress-chamber系统相关,我们说两个曲面贴片是等效的通过表面对称,否则它们是不同的。曲面的对称性拉回(通过覆盖贴图)到双曲线平面上的对称性,因此如果D室相关,则两个U形瓷砖投影为等效的表面网格通过对称性来自.2
生成展开的D符号的过程涉及多个步骤,其复杂程度取决于原始D符号的对称性。为了澄清说明,我们首先讨论了瓷砖的施工对称性(§4.1); 后面将讨论其他Coxeter圆形瓷砖(§4.2).
4.1. 中的平铺
首先,我们引入了一种三角剖分法,称为图表。此图表在中的几何图形之间架起了一座桥梁和集团结构模平移域。然后我们描述如何在基本域。最后,我们使用图表作为展开D符号与对称性。
4.1.1. 这个图表
这个图表是一个三角图,三角图上有96个不同的三角形表示中元素的单词商组。此图表构成了展开D符号的基础对称成D符号对称性。我们在三角测量和反射组,使用下面描述的过程(图10将有助于可视化)。
| 图10 96种不同的翻译三角形的域P(P),D类和克表面为浅色和深灰色阴影。与中心十二边形接壤的12个域是平移后的中心多边形的图像吨1,吨2,吨三,τ1,τ2和τ三.标记的三角形R(右)1,R(右)2和R(右)三是身份三角形的合适图像吗我经过反思。标记的三角形V(V)是的图像我在a下π/2绕圆圈顶点旋转。这个R(右)三三角形的邻域V(V),虚拟现实三,位于中央十二角形的外面,是标记的三角形的平移W公司,即,虚拟现实三=吨2W公司. |
(1) 首先,我们列出了商组的96个不同元素。我们使用间隙包裹千兆赫(单体和群中Knuth–Bendix的缩写),尽管有陪集枚举算法就足够了(GAP Group,2002; 霍尔特,1998). 商群陪集由反射中的最小单词表示R(右)1,R(右)2,R(右)三. The千兆赫枚举使用从给定的生成器顺序派生的短lex顺序。附录中完整列出了96个元素C类,表15。
(2) 基本域是一个三角形,由以一定角度相交的镜像线包围π/2,π/4和π/6.基本瓷砖由这些域组成,其中4个、8个和12个三角形在,和角点。我们选择一个初始三角形并给它标识元素的标签,我.
(3) 自从反射R(右)1,R(右)2和R(右)三将身份三角形映射到它的三个邻居上,这些三角形会相应地进行标记。这个R(右)1三角形是与角点,R(右)2位于最短边(与角),以及R(右)三邻居共享身份的斜边吗三角形,与点。
(4) 我们继续按最小值标记每个三角形R(右)-将身份三角形映射到其上的单词。通过连续性,和给定三角形的角,V(V),将是虚拟现实1,虚拟现实2和虚拟现实三例如R(右)1是R(右)1R(右)1=我,R(右)1R(右)2和R(右)1R(右)三和的邻居R(右)2是R(右)2R(右)1=R(右)1R(右)2,R(右)2R(右)2=我和R(右)2R(右)三.转换每个相邻字的过程虚拟现实我其最小版本称为单词缩减,并使用千兆赫包裹。
(5) 翻译周期通过在商组,而不是全部组。图10中的图表例如,显示了-三角形的邻域V(V),带标签虚拟现实三位于十二角形的96个元素之外。实际上是三角形虚拟现实三是三角形的图像W公司在翻译下吨2在商组词约简中,我们发现因此,在紧凑的tritorus中,三角形V(V)和W公司是他们对面的邻居吗角。我们附上吨2转换到该邻接信息以标记边界或切割线,从而使我们能够将紧凑曲面三角剖分转换为中的通用覆盖。我们还使用切割线从至表面网状结构第5.1节对此进行了说明.
如上所述 等距将身份三角形映射到某个图像三角形上,并从我例如等距将身份三角形映射到W公司三角形是R(右)三R(右)1R(右)三R(右)1R(右)2R(右)三R(右)1,见图10根据惯例等距操作从左侧开始,因此从右向左读取连续反射的顺序。相比之下,通过与此相关联的三角测量的路径-这个单词是从左向右读的。它开始于我,访问其`R(右)三-邻居'(与其相对的三角形-角),然后这个三角形`R(右)1-neighbor(与a相对的三角形角)等,结束于标记的三角形W公司类似地,三角形V(V)由起始于的路径到达我然后(从左到右阅读)根据单词拜访邻居R(右)1R(右)三R(右)1R(右)2R(右)三R(右)1,图10中围绕圆圈顶点的两倍旋转.
最后,映射的翻译W公司到上面虚拟现实三可以通过三角剖分中的路径进行编码W公司到虚拟现实三通过我,
表达式的单词缩减吨2方程式(1)中给出使用身份(R(右)1R(右)三)6=我这意味着单词的中心部分会减少为
4.2. 其他万花筒子群中的平铺
接下来考虑对称性为的万花筒子群的D符号的构造这些D符号的嵌入和展开基本上以与所述相同的方式进行然而,我们将看到可以以多种方式嵌入,使施工更加复杂,但会产生额外的表面网状物。
4.2.1. 正在构建子组图表
这个图表是根据商群结构的知识构建的,即的显式表示吨我,τ我翻译R(右)1,R(右)2,R(右)三反思。虽然我们构建了131个子组吨我,τ我翻译为元素,我们没有吨我,τ我翻译为单词子组生成器,因此使用组合过程获得子组图表。对于14个千变万化的亚组来说,这是可行的,因为每个亚组子组基本域是从k个整体三角形,其中k个是子组的索引。
获得万花筒的基本域子组我们使用陪集标签三角形子组行动。一组连续的k个不同的陪集元素为我们提供了一个基本域。例如,,订单-4子组属于,有一个从四个方面构建的基本域标记的三角形我,R(右)1,R(右)2和R(右)1R(右)2,如图13所示.这个域是通过其边界上的反射来复制的,我们使用累积算法一次获得一个基本域。例如,相邻的基本域是标记的三角形集{R(右)三,R(右)三R(右)1,R(右)三R(右)2,R(右)三R(右)1R(右)2},即,下面的图像R(右)三初始域的。的数量子组覆盖tritorus的基本域是96/k个,所以图表有24个四边形。
| 图13 这个 子组图表。基本领域是从四个标记的三角形我,R(右)1,R(右)2和R(右)1R(右)2。需要四分之二十的四边形域来填写平移单位单元格。一组可能的24个四边形是高亮显示的(18边)多边形域。由黄色边缘包围的十二角标志着平移晶胞如图10所示。请注意高亮显示的域与(黄色)十二边形的区别,它将三角形从一条边替换为对角相对的边。 |
构建图表是为了识别接下来的新切割线领域边界。从首字母开始领域,我们成长为一个域,目的是使该区域在双曲平面中尽可能保持圆形。该区域如图13所示最终,生长区域将在genus-3表面上相遇。发生这种情况的边定义了新的切割线,用于将三环面展开到双曲面中。通过跟踪通过底层的路径,可以找到与每条切割线相关的平移约束为通过我三角形和剖切边。路径定义了-简化为翻译依据千兆赫单词缩减。
5.表面瓷砖
到目前为止,我们的列举已经从每个Coxeter orbifold中提取了不同的D符号,发现了这些符号在万花筒中的所有可能嵌入子群域,并将其展开为相应的tritorus图。结果是14个列表子组瓷砖及其展开添加了“cuts”的D符号,决定了它们嵌入T型 分组。由于获得了这些tilings通过展开和嵌入在普遍的我们称之为三周期极小曲面的覆盖U形瓷砖。在本节中,我们描述了如何确定每个不同U型瓷砖的唯一代表。这些平铺与曲面覆盖贴图兼容,因此投影到P(P),D类和克曲面给定电子平铺最后,我们还考虑了tritorus的平铺,或O型瓷砖,从这些U形瓷砖中获得。
6.瓷砖网
在本节中,我们考虑从平铺的顶点和边导出的网络。文献中可以找到“net”一词的各种定义;我们在这里用这个词来表示嵌入度量空间的图。具体来说,我们研究了嵌入双曲平面、tritorus和周期极小曲面中的网络,称为h网络,o型网络和电子网络分别是。最后,我们丢弃了e网中可能存在的边缘纠缠,以研究它们的拓扑结构和最大对称嵌入,并调用结果结构s网络.h网仍嵌入其父空间(双曲平面)中,而o-网、e-网和s-网则嵌入三维欧氏空间中。
有一个简单的标准形对于允许在双曲线平面上容易区分不同网络拓扑的h-网。然而,在定义三维嵌入式网络的等价类时必须谨慎,即e-net、o-net和s-net类别。我们对特定嵌入的琐碎几何变形不感兴趣。非琐碎变形可能包括那些改变图中边的纠缠或图拓扑的变形。我们为定义等价类o型网络和电子网络包括与不涉及边交叉的变形相关的所有图形嵌入。因此,我们的目标之一是确定环境同位素下网络的等效类别:即,如果两个网络的嵌入空间可以连续变形,从而将一个网络映射到另一个网络上,而不允许边相互穿过,则这两个网络是等价的。这导致了网络的不同纠缠版本之间的区别,即不等价的o网或e网,类似于空间中环路的不等价纠缠之间的区别,即不同的结。最后,的等价类s网络包括具有相同图形拓扑的所有网络。对于h-net,有一个标准形对于s网络,它允许容易识别大多数不同的示例。
7.一个例子
本文描述的路径——从Delaney——服饰符号及其嵌入(U-tilings),然后到TPMS上的E-tilings,给出电子网络及其规范作为s-网的嵌入是一种遍历几何学、群论和贴片理论的方法。因此,航行相当曲折。随着手续的到位,我们提供了一个详细的工作示例-从D符号开始,到从网状结构中获得的三周期欧几里德网结束P(P),D类和克surfaces–用于说明枚举过程生成的结构之间的连接。
我们从图26中的一系列双曲线平铺开始显示了从基本平铺传递平铺到到tile-2-transitive分割和胶合瓷砖,到其顶点2-transiative对偶(囊性纤维变性。§3). 我们采用顶点2传递平铺作为示例的起点。该平铺包含一个三阶顶点和一个五阶顶点,每个顶点周围排列着四个不同的平铺(三个四边形和一个八角形),以形成二维Schläfli符号(4.8.8),(4.4.4.8.8)。这种瓷砖的组合描述需要八个房间,由表9中的Delaney–Dress符号给出(囊性纤维变性。附录B类). 此符号为标签质量控制643根据§3末尾解释的算法。由于此符号是最小的-即对于这种拓扑结构的平铺,它具有最高可能的对称性-它定义了一个h-网,并标记为总部583 (囊性纤维变性。§6.1).
| 一 | b条 | c(c) | d日 | e(电子) | (f) | 克 | 小时 | 0-丁腈橡胶 | c(c) | b条 | 一 | d日 | e(电子) | (f) | 克 | 小时 | 1-丁腈橡胶 | b条 | 一 | d日 | c(c) | e(电子) | 克 | (f) | 小时 | 2个-丁腈橡胶 | 一 | (f) | c(c) | e(电子) | d日 | b条 | 小时 | 克 | | | | | | | | | | 米01 | 8 | 8 | 8 | 8 | 4 | 4 | 4 | 4 | 米12 | 5 | 5 | 三 | 三 | 三 | 5 | 5 | 5 | | |
| 图26 (一)球叶形的基本平铺传递平铺. (b条)获得了平铺2传递平铺通过从顶点到基本瓷砖的相对边缘和两个边缘粘合操作,导致删除基本瓷砖中连接相邻边的边缘网站。(c(c))对应的顶点2-传递对偶。 |
我们的平铺可以嵌入两个不同的子组,如图27所示。下一步是在各自的平铺中展开这些平铺子组图表以获得相应的U平铺:UQC公司1346和UQC公司1345 (囊性纤维变性。§5.1). 的平移域示例如图28所示.
| 图27 (一)康威曲轴图(如附录所述B类)表9的D符号,已标记质量控制643. (b条)将此平铺嵌入 子组属于、U形平铺UQC公司1346年(c(c))相同的符号嵌入,UQC公司1345.突出显示单个球形区域,并按照曲轴图中的规定准确标记腔室。 |
| 图28 我们的示例瓷砖嵌入以突出显示的平移域表示U平铺UQC公司1346.平移域中的顶点用黑色标记为0–15,与表10中的周期图描述一致。标记为白色的顶点是平移单位单元中顶点的平移副本。 |
我们暂停片刻,从枚举中查找生成与示例相同U平铺的其他D符号。我们发现了UQC公司1346也是一个独特的D符号的展开,标记为质量控制1442年,在子组 。此外,UQC公司1345由生成质量控制1442年,但通过嵌入.初始平铺(质量控制643,对称)与瓷砖有关质量控制1442,对称通过一个额外的对称性将基本域的面积减半。因此,质量控制1442的h-net与质量控制如果我们现在侧着身子走,我们会发现质量控制1442在子组 ,提供了两个额外的U形瓷砖。所以我们看到这个h-net拓扑(总部583)实际上与两个子组瓷砖,四个千变万化的亚组中的五个嵌入物和三个U型瓷砖。这些关系如图29所示.
| 图29 此图显示了两个子组tilings之间的关系质量控制643和质量控制1442提升至相同的h型网,以及其各种嵌入和展开子组。三条U型线是UQC公司1346,UQC公司1345和UQC公司3191 |
我们现在回到示例(UQC公司1346)及其投影到P(P),D类和克曲面(囊性纤维变性。§6). 首先看看周期网,它位于双曲线平面上。携带的网UQC公司1346有16个平移上不同的顶点和32个不同的边,如图28所示使用如图所示的标记顶点标签,我们构建了表10中给出的网络的标记商粒度描述。位于平移的不同副本中的顶点之间的边晶胞通过单元格之间的相对平移进行标记。我们使用表2中定义的覆盖映射操作将双曲线周期网直接映射到三个电子网(每个TPMS上一个)第§2条表10中也给出了生成的三周期网。转换单位单元格P(P)和D类表面修整如图30所示.
五1 | 五2 | | P(P) | D类 | 克 | 0 | 1 | 我 | 000 | 000 | 000 | 0 | 2 | 我 | 000 | 000 | 000 | 0 | 4 | 我 | 000 | 000 | 000 | 0 | 8 | 我 | 000 | 000 | 000 | 0 | 8 | 吨2-1 | | | 001 | 1 | 三 | 吨1 | 100 | | | 1 | 5 | 吨三-1 | | | 100 | 2 | 三 | 我 | 000 | 000 | 000 | 2 | 6 | | | 010 | | 2 | 10 | 我 | 000 | 000 | 000 | 2 | 10 | | | 001 | | 三 | 7 | 吨1-1 吨三-1 | | | 110 | 4 | 5 | 我 | 000 | 000 | 000 | 4 | 6 | | | 010 | | 4 | 12 | 我 | 000 | 000 | 000 | 4 | 12 | | 010 | 001 | | 5 | 7 | 我 | 000 | 000 | 000 | 6 | 7 | 我 | 000 | 000 | 000 | 6 | 14 | 我 | 000 | 000 | 000 | 6 | 14 | | 010 | | | 8 | 9 | 我 | 000 | 000 | 000 | 8 | 10 | 我 | 000 | 000 | 000 | 8 | 12 | 吨2 | 010 | | | 9 | 11 | | 100 | 010 | | 9 | 13 | | | 010 | | 10 | 11 | 我 | 000 | 000 | 000 | 10 | 14 | | | | | 11 | 15 | | | 000 | 100 | 12 | 13 | 我 | 000 | 000 | 000 | 12 | 14 | | | | 100 | 13 | 15 | 我 | 000 | 000 | 000 | 14 | 15 | 我 | 000 | 000 | 000 | | |
| 图30 我们的示例平铺UQC公司1346个投影到P(P)和D类曲面。曲面片是(非标准)平移单位单元,对应于图28所示双曲线平面中高亮显示的区域. |
最后,我们应用Systre公司三个e网的算法标准形对于关联的s网络(囊性纤维变性。第6.3节). 两者都是P(P)和D类电子网简化为水晶网,每个只有八个顶点单位电池,而不是电子网络中的16个。这意味着晶体网络可以对称化,以显示额外的平移对称性,而曲面嵌入中没有这种对称性(实际上,这种平移是交换曲面侧面的平移)。相反,从嵌入到克surface保留了全部16个顶点(因为克曲面并没有一个额外的平移对称来交换曲面的边)。表11给出了所得s网络的结晶描述–13和单位细胞图像如图31所示和32注意,每个s-net都有两个对称的不同顶点和四个不同的边,其重数与 子群平铺。
顶点 | 学位 | x个 | 年 | z(z) | 五1 | 5 | 0.14645 | 0.14645 | 0 | 五2 | 三 | 0.35355 | 0.35355 | 0 | | 边缘 | 起点x个,年,z(z) | 终点x个,年,z(z) | 0.1464 | 0.1464 | 0 | −0.1464 | 0.1464 | 0 | 0.1464 | 0.1464 | 0 | 0.1464 | 0.1464 | −1.0000 | 0.1464 | 0.1464 | 0 | 0.3535 | 0.3535 | 0 | 0.3535 | 0.3535 | 0 | 0.3535 | 0.6464 | 0 | | |
顶点 | 学位 | x个 | 年 | z(z) | 五1 | 5 | 0.23691 | 0.23691 | 0.10319 | 五2 | 三 | 0.36278 | 0.36278 | 0.37199 | | 边缘 | 起点x个,年,z(z) | 终点x个,年,z(z) | 0.2369 | 0.2369 | 0.1032 | −0.2369 | 0.7631 | 0.1032 | 0.2369 | 0.2369 | 0.1032 | 0.2369 | −0.2369 | −0.1032 | 0.2369 | 0.2369 | 0.1032 | 0.3628 | 0.3628 | 0.3720 | 0.3628 | 0.3628 | 0.3720 | 0.6372 | 0.3628 | 0.6280 | | |
顶点 | 学位 | x个 | 年 | z(z) | 五1 | 5 | 0.10435 | 0.14742 | 0.17446 | 五2 | 三 | 0.14603 | 0.40658 | 0.92807 | | 边缘 | 起点x个,年,z(z) | 终点x个,年,z(z) | 0.1043 | 0.1474 | 0.1745 | −0.1474 | 0.3956 | 0.4245 | 0.1043 | 0.1474 | 0.1745 | 0.1474 | −0.1043 | −0.1745 | 0.0934 | 0.8540 | 0.6781 | 0.3956 | 1.14742 | 0.5755 | 0.0934 | 0.6460 | 0.5719 | 0.1460 | 0.40658 | 0.9281 | | |
| 图31 从投影到P(P)和D类的曲面(分别为左侧和右侧)U形平铺UQC公司1346 |
| 图32 源于U形平铺UQC公司1346投影到克表面。 |
8.未来方向
这里介绍的工作重点是从万花筒亚群衍生出的瓷砖和表面网状结构,这些亚群与P(P),D类和克最小曲面。扩展枚举有很多方向,包括与P(P),D类和克表面;其他三周期最小曲面;以及下文讨论的进一步概括。
在不久的将来,我们打算研究从与P(P),D类和克曲面。这些球状家族包括混合反射-旋转的例子,我们称之为“帽子”球状,以及纯旋转的“星状”球状(海德等。, 2009). 假设有29个和21个不同的亚组分别使用hat和stellate orbifolds,预期结果会非常显著。其他orbifold类,包括不可定向的“投影”示例,可能会在稍后进行探讨。我们还计划扩展该项目,以探索作为其他胎压监测系统网络生成的网络,特别是剩余的第三代胎压监测S:六边形小时和正方的CLP公司曲面。我们还计划在genus-4立方上研究这个过程I-WP公司表面。与扩展到第4代示例相关的复杂性可能会被示例的新颖性所抵消。我们已经确定了这些表面的双曲线结晶学和覆盖图,并导出了相关的兼容球体(Robins等。, 2004b条; 罗宾斯,2006).
同时,还将推广功能强大的Delany–Dress装置,以枚举双曲线平面中常见但在欧几里德平面中没有类似物的其他瓷砖。这种tilings包含以带状或树形图案排列的无限边双曲多边形,我们建议称之为“自由tilings”。与P(P),D类和克表面已被证明可以形成多个连生网(Hyde&Oguey,2000; 海德等。, 2003); 其他示例在网上进行了总结(拉姆斯登等。, 2004). 我们打算利用Delaney–Dress瓷砖理论的扩展来探索自由瓷砖,从而实现复杂网络共生的系统枚举。
除了这里描述的三周期结构外,我们的技术很容易适应有限的,有限的(分子的)网络,通过紧密表面的网状结构。我们已经在§§5.3中提到了这些O形瓦和O形网和6.4。这些网络的具体嵌入是一个丰富的主题,迄今为止几乎没有探讨过。通过定义从双曲平面到欧氏空间中tritorus显式嵌入的覆盖映射,我们可以使用曲面网格的结构来定义o-网的嵌入。一般的例子将被打结、联系和瓦解,由特里托鲁斯岛上丰富的可能循环同伦所支配。在对生成的打结环形多面体的研究中可以看到这种可能性的示例通过环面的网状结构(Hyde&Schröder-Turk,2007); 城堡等。, 2009)以及最近对杂乱图形的探索(Castle等。, 2008).
附录B
Delaney–服饰符号
我们在这里讨论并说明双曲线平面的平铺,见图34例如,但这些概念仅适用于球面和欧几里德平面,只做了微小的更改,而基本理论则推广到了高维空间。
以下四个条件构成了双曲线平面平铺的定义:
(1) 这些瓦片是闭合的拓扑盘。
(2) 瓷砖仅沿其边界相交。两个平铺的相交定义了一条边,三个或更多平铺的交点定义了一个顶点。
(3) 瓷砖大小均匀。
(4) 瓷砖覆盖整个双曲线平面。
为了描述平铺模式,我们将平铺细分为三角形,称为旗帜或腔室,然后记录这些腔室的不同对称类的相邻关系。为了从平铺生成腔室系统,我们通过在每个瓦片的中心放置一个2顶点、在每个边的中点放置一个1顶点和在每个平铺顶点放置一个0顶点来进行重心细分,然后在每个瓦块内形成0-1-2三角形。根据所面对的顶点类型,腔室的边也标记为0、1和2边。邻里关系是通过三张地图的作用来正式描述的,σ0,σ1和σ2,将每个腔室映射到对应边(或等效地,对应顶点的对面)上的相邻腔室。由于明显的几何原因,这些映射是对合(它们是自己的逆)。
平铺的拓扑是通过描述重复应用相邻地图对时发生的情况来编码的。有三个轨道需要考虑:
(1) (σ0σ1)围绕一个2顶点进行轨道贴图,因此访问单个平铺中的房间。如果瓷砖有第页边,然后是瓷砖每个房间上的身份图。索引第页也称为米01.
(2) (σ1σ2)环绕0顶点进行轨道贴图,因此在平铺顶点处相交的腔室周围行走。如果顶点具有度第页然后是该顶点处每个腔室事件的标识。索引第页也称为米12.
(3) 最后(σ2σ0)围绕1-顶点的贴图,即瓷砖的边缘。由于正好有四个腔室在一个1-顶点相交,因此我们得到了是每个房间的身份。
到目前为止所描述的腔室系统是一个无限复杂的系统,因为需要无限多的有界瓷砖来覆盖双曲面。我们通过在对称群的作用下形成腔室的等价类,得到了瓷砖的有限描述。如果群有一个紧致的圆形,那么将有有限个腔类。这个σ我映射保留了这些对称类,因此只需要记录有限数量的相邻关系。这些腔类、它们的相邻映射和拓扑指数第页和第页上面定义的是构成Delaney–Dress符号所需的所有信息。
我们用图34所示的示例来说明上述定义此双曲线瓷砖由两种类型的五边形瓷砖构成,顶点为3度、4度和8度,具有对称性。在图34的左上角每个五边形瓷砖被细分为三角形的房间。分配标签,以便对称等效的腔室具有相同的字母。有十个对称不同的房间,这些房间覆盖了orbifold(如右上所示)。室顶点分别根据它们位于瓦片顶点、边或中心而标记为0、1、2。邻居的地图σ我编码与字体顶点相对的腔室邻接我也如图34所示,右上角。
腔室的完整邻接关系和拓扑指数可以表格形式给出,见表14,或图34所示的两种视觉格式.图34的右下方D符号以图表形式显示,其中节点表示每个腔室类别,彩色边缘表示σ我对合。拓扑指数(第页,第页)每个腔室也连接到每个节点。
| 一 | b条 | c(c) | d日 | e(电子) | (f) | 克 | 小时 | 我 | j个 | 0-丁腈橡胶 | b条 | 一 | d日 | c(c) | e(电子) | 克 | (f) | 我 | 小时 | j个 | 1-丁腈橡胶 | 一 | c(c) | b条 | e(电子) | d日 | (f) | 小时 | 克 | j个 | 我 | 2-丁腈橡胶 | 一 | b条 | 克 | (f) | e(电子) | d日 | c(c) | 小时 | 我 | j个 | | | | | | | | | | | | 米01 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 米12 | 4 | 4 | 4 | 三 | 三 | 三 | 4 | 4 | 8 | 8 | | |
更简洁的描述是曲轴图如图34所示,左下角,另一个由约翰·康威创作的优雅符号。在这个表示法中,每个腔室都是一条断开的水平线,腔室之间的邻接由适当的σ我列(自邻接由开放端点表示)。的拓扑结构σ我σj个从曲轴图中可以立即看到燃烧室的轨道。这个σ0σ1曲柄轨道由曲轴左侧的连接部件表示σ1σ2顶点的轨道在右边。这个σ0σ2此图中仅隐式表示边缘轨道。每个对称不同的瓦片和顶点由曲轴的单个连接部件定义,因此相应的轨道数(第页,第页)只列出一次。及物性在视觉上很清晰——在我们的tile-2-transitive示例中,有两个连接在一起的σ0σ1组件,而σ1σ2column告诉我们平铺是vertex-4-transitive。曲轴图的另一个优点是,通过反射关于中心轴的图(在我们的二维情况下,交换σ0和σ2列)。
Delaney–Dress符号的威力在于,任何两个具有相同拓扑和对称性的瓷砖都将具有同构符号,并且瓷砖可以从这个有限的信息量中完全重建。此外,可以直接从Delaney–Dress符号计算球形符号和曲率指数;见Delgado Friedrichs(2003年)了解更多详细信息。