Grupos de Simetria de Leonardo.

Consideremos um conjunto de isometrias do plano, munido da operação produto (ou composição) assim definida: Para cada ponto A, f.g(A)= g(f(A)). Este conjunto constitui-se em grupo se se verificar que (a) o produto de duas quaisquer das isometrias do conjunto é uma iosmetria do conjunto; (b) o produto é associativo; (c) a identidade ou elemento neutro para o produto é isometria do conjunto; e (d) para cada isometria do conjunto, nele há uma outra isometria (sua inversa) que a neutraliza pelo produto.

A qualquer grupo finito de isometrias do plano, para o qual há um ponto que permanece invariante por aplicação de qualquer das isometrias do grupo, há quem dê o nome de grupo de simetrias de Leonardo, de rosácea, de roseta, .... Estes grupos de isometrias em número finito (grupo de simetrias de Leonardo) são constituídos apenas por rotações e reflexões e podem ser de dois tipos. A saber:

1. Um primeiro constituído pelos grupos cíclicos, designados por C_n, gerados por uma rotação cuja amplitude é resultado da divisão de 360 graus por n.
   
   A construção seguinte ilustra o grupo C₃ gerado por uma rotação g de amplitude 120 graus, assim constituído: C₃={Id, g, g²}, em que Id é a identidade (igual a g³). Pode clicar no botão "rodar para ver" para, deslocando o ponto verde, verificar que as rotações de 120, 240 e 360 graus transformam a figura em si mesma.
   
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   Nota: Verifica-se facilmente que para um mesmo centro, a rotação de +120 graus (sentido directo) é igual à rotação de -240 graus (no sentido dos ponteiros do relógio), que a rotação de 240 graus é igual ao produto por si mesma de uma rotação de 120 graus, etc.
   
2. Um segundo constituído pelos grupos diédricos, que se representam por D_n, gerados por uma rotação e uma reflexão cujo eixo passa pelo centro da rotação.

A construção seguinte ilustra o grupo D₃ que é gerado por uma rotação g, de 120 graus, e por uma reflexão s. Os seus elementos são D₃={Id, g, g², s, s.g, s.g²}

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Nota: O grupo D₁ é gerado por uma única reflexão.


Ver: Casalderrey, F.M.; A burla dos sentidos - a arte vista com olhos matemáticos. RBA. 2010

Grupos de Simetria - nota de abertura.

O conjunto das isometrias (translações, rotações, reflexões e reflexões deslizantes) do plano, munido da composição de funções, é um grupo. Vimos que a composta de duas isometrias é ainda uma isometria, que a composição é comutativa, associativa, tem elemento neutro (identidade) e que para cada isometria há uma outra que, por composição, a neutraliza. Na abordagem que fizemos antes (de 30/10/2009 a 29/11/2009 ), também verificámos que o conjunto das translações é um subgrupo do grupo das isometrias, bem como é subgrupo o conjunto das rotações munido da composição. Já não acontece o mesmo com o conjunto das reflexões.

Dizemos que uma figura geométrica, F, do plano é simétrica (ou tem simetria) quando há uma isometria do plano que a faz corresponder a si mesma. Por exemplo, a reflexão de eixo AC aplicada a um quadrado ABCD faz corresponder A a A, C a C, B a D e D a B e obviamente, mantém invariantes os pontos do segmento AC (no quadrado) e faz corresponder a cada um dos outros pontos do quadrado, um outro ponto do quadrado. À recta AC chamamos por isso eixo de simetria do quadrado ABCD. Para além de várias reflexões, há várias rotações que transformam cada ponto de um quadrado noutro ponto do mesmo quadrado, no caso mantendo um só ponto invariante - centro da rotação. Já por uma translação associada a um vector não nulo, uma figura geométrica nunca é transformada em si mesma.

Na construção que se segue, clique no botão "reflexão" para seguir um ponto P e a sua reflexão no espelho e=AC e verificar que cada ponto do quadrado tem imagem no quadrado e se sair do quadrado a imagem de P cai fora dele. Clicando sobre o botão da reflexão para a ocultar, ao clicar no no botão "rotação" (de centro O e amplitude +90) pode fazer verificação do mesmo tipo. Um ponto P do quadrado tem imagem no quadrado e do exterior do quadrado tem imagem no exterior.