График Лавеса
В геометрии и кристаллографии граф Лавеса — это бесконечная и высокосимметричная система точек и отрезков в трёхмерном евклидовом пространстве , образующая периодический граф . Три сегмента одинаковой длины встречаются под углом 120 ° в каждой точке, и во всех циклах используется десять или более сегментов. Это кратчайший возможный тройной периодический граф относительно объема его фундаментальной области . Один из вариантов графа Лавеса использует одну из каждых восьми точек целочисленной решетки в качестве своих точек и соединяет все пары этих точек, которые являются ближайшими соседями на расстоянии . Его также можно определить, в отрыве от его геометрии, как абстрактный неориентированный граф , покрывающий полный граф на четырех вершинах.
HSM Coxeter ( 1955 ) назвал этот граф в честь Фрица Лавеса , который впервые написал о нем как о кристаллической структуре в 1932 году. [1] [2] называют К4 кристаллом . Его еще [3] (10,3)-сеть , [4] алмазный близнец , [5] третий мир , [6] [7] и сеть SRS . [8] Области пространства, ближайшие к каждой вершине графа, представляют собой конгруэнтные 17-гранники, образующие плиточное пространство. Его ребра лежат на диагоналях правильного косого многогранника — поверхности с шестью квадратами, сходящимися в каждой целочисленной точке пространства.
Некоторые кристаллические химические вещества имеют известные или предсказанные структуры в форме графа Лавеса. Утолщение ребер графа Лавеса до цилиндров дает соответствующую минимальную поверхность , гироид , которая физически появляется в определенных структурах мыльной пленки и в крыльях бабочек.
Конструкции
[ редактировать ]Из целочисленной сетки
[ редактировать ]Как описывает Коксетер (1955) , вершины графа Лавеса могут быть определены путем выбора одной из каждых восьми точек в трехмерной целочисленной решетке и формирования графа их ближайших соседей . В частности, выбираются точки и все остальные точки, образованные добавлением к этим координатам числа, кратного четырем. Ребра графа Лавеса соединяют пары точек, евклидово расстояние которых друг от друга равно квадратному корню из двух , , так как точки каждой пары различаются на одну единицу по двум координатам и совпадают по третьей координате. Края встречаются под углом 120° в каждой вершине в плоской плоскости. Все пары вершин, которые не являются соседними, находятся дальше друг от друга, на расстоянии не менее друг от друга. Ребра полученного геометрического графа представляют собой диагонали подмножества граней правильного косого многогранника с шестью квадратными гранями на вершину, поэтому граф Лавеса вложен в этот косой многогранник. [1]
Можно выбрать больший набор из одной из каждых четырёх точек целочисленной решётки, так что график расстояний пары этого большего набора образуют две зеркальные копии графа Лавеса, несвязанные друг с другом, причем все остальные пары точек находятся дальше, чем отдельно. [9]
В качестве покрывающего графа
[ редактировать ]Как абстрактный граф, граф Лавеса может быть построен как максимальный абелев граф покрытия полного графа. . Будучи абелевым покрывающим графом означает, что вершины графа Лавеса могут быть четырехцветными, так что каждая вершина имеет соседей трех других цветов и что существуют сохраняющие цвет симметрии, переводящие любую вершину в любую другую вершину того же цвета. Для графа Лавеса в его геометрической форме с целочисленными координатами эти симметрии представляют собой сдвиги , которые добавляют четные числа к каждой координате (кроме того, смещения всех трех координат должны быть конгруэнтны по модулю четыре). При последовательном применении двух таких переводов итоговый перевод не зависит от их порядка: они коммутируют друг с другом, образуя абелеву группу . Векторы трансляции этой группы образуют трехмерную решетку . Наконец, то, что граф является максимальным абелевым накрывающим, означает, что не существует другого покрывающего графа для с участием решетки более высокой размерности. Эта конструкция оправдывает альтернативное название графа Лавеса — кристалл. [10]
Максимальный абелев граф покрытия можно построить из любого конечного графа ; применяется к , конструкция создает (абстрактный) граф Лавеса, но не дает ему той же геометрической структуры. Выберите связующее дерево из , позволять — количество ребер, которых нет в остовном дереве (в данном случае три ребра, не являющихся деревом), и выберите отдельный единичный вектор в для каждого из этих недеревьевых ребер. Затем зафиксируем множество вершин покрывающего графа как упорядоченные пары где является вершиной и является вектором в . Для каждой такой пары и каждого ребра рядом с в , сделайте край из к где – нулевой вектор, если принадлежит остовному дереву и в противном случае является базисным вектором, связанным с , и где знак плюс или минус выбирается в зависимости от направления прохождения края. Полученный граф не зависит от выбранного остовного дерева, и ту же конструкцию можно интерпретировать более абстрактно, используя гомологии . [11]
Используя ту же конструкцию, гексагональная мозаика плоскости является максимальным абелевым графом покрытия трехреберного диполя , а алмазная кубика - максимальным абелевым графом покрытия четырехреберного диполя. -мерная целочисленная решетка (как граф с ребрами единичной длины) — это максимальный абелев накрывающий граф графа с одной вершиной и самопетли . [10]
В виде графика единичного расстояния
[ редактировать ]Граф единичных расстояний на трехмерной целочисленной решетке имеет вершину для каждой точки решетки; каждая вершина имеет ровно шесть соседей. Можно удалить часть точек из решетки так, чтобы у каждой оставшейся точки осталось ровно три соседа и чтобы в индуцированном подграфе этих точек не было циклов короче десяти ребер. Есть четыре способа сделать это, один из которых как абстрактный граф изоморфен графу Лавеса. Однако его вершины находятся в другом положении, чем у более симметричной традиционной геометрической конструкции. [12]
Другой подграф простой кубической сети, изоморфный графу Лавеса, получается удалением половины ребер определенным образом. Полученная структура, называемая полупростой кубической решеткой, также имеет более низкую симметрию, чем сам граф Лавеса. [13]
Характеристики
[ редактировать ]Граф Лавеса представляет собой кубический граф , что означает, что в каждой вершине имеется ровно три ребра. Любая пара вершины и смежного ребра может быть преобразована в любую другую такую пару благодаря симметрии графа, поэтому это симметричный граф . Более строго, для каждых двух вершин и , каждое взаимно однозначное соответствие между тремя ребрами, инцидентными и три ребра, инцидентные может быть реализовано посредством симметрии. Однако общая структура хиральна : никакая последовательность перемещений и вращений не может заставить ее совпасть со своим зеркальным отражением. [10] Группа симметрии графа Лавеса - это пространственная группа . [13]
Обхват этой структуры равен 10 — самые короткие циклы в графе имеют 10 вершин — и 15 из этих циклов проходят через каждую вершину. [10] [1] [9] Числа вершин на расстоянии 0, 1, 2, ... от любой вершины (образующие координационную последовательность графа Лавеса): [14]
Если окружающее пространство разбить на ближайшие к каждой вершине области — ячейки диаграммы Вороного этой структуры, — они образуют гептадекаэдры с 17 гранями в каждой. Это плезиоэдры , многогранники, которые замощают пространство изоэдрально . Экспериментируя со структурами, образованными этими многогранниками, физик Алан Шон открыл гироида минимальную поверхность . [15] что топологически эквивалентно поверхности, полученной утолщением ребер графа Лавеса до цилиндров и взятием границы их объединения. [16]
Граф Лавеса представляет собой единственную кратчайшую триждыпериодическую сеть в следующем смысле. Трижды периодическая означает бесконечное повторение во всех трех измерениях пространства, поэтому тройная периодическая сеть представляет собой связный геометрический граф с трехмерной решеткой трансляционных симметрий. — Фундаментальная область это любая форма, которая может замостить пространство своими транслированными копиями в соответствии с этими симметриями. Любая решетка имеет бесконечно много вариантов фундаментальной области различной формы, но все они имеют одинаковый объем. . Можно также измерить длину ребер сети в пределах одной копии фундаментальной области; позвони на этот номер . Аналогично , не зависит от выбора фундаментальной области, пока граница области пересекает только края, а не содержит части их длины. Граф Лавеса имеет четыре класса симметрии вершин ( орбит ), поскольку рассматриваемые здесь симметрии представляют собой всего лишь сдвиги, а не повороты, необходимые для отображения этих четырех классов друг в друга. Каждый класс симметрии имеет одну вершину в любой фундаментальной области, поэтому фундаментальная область содержит двенадцать полуребер общей длиной . Объем его фундаментальной области равен 32. Из этих двух чисел получается соотношение ( безразмерная величина ) поэтому . Фактически это минимально возможное значение: все триждыпериодические сети имеют с равенством только в случае графа Лавеса. [17]
Физические примеры
[ редактировать ]Искусство
[ редактировать ]Скульптура под названием Bamboozle работы Якобуса Верхуффа и его сына Тома Верхуффа представляет собой фрагмент графа Лавеса, вершины которого представлены разноцветными переплетающимися акриловыми треугольниками. Он был установлен в 2013 году в Технологическом университете Эйндховена . [18]
Молекулярные кристаллы
[ редактировать ]Граф Лавеса был предложен как аллотроп углерода , аналогичный более распространенной углеродной структуре графена и графита , которые также имеют три связи на атом под углами 120 °. [3] [5] В графене соседние атомы имеют одинаковые плоскости связи, тогда как в структуре графа Лавеса плоскости связи соседних атомов закручены на угол примерно 70,5° вокруг линии связи. Однако этот гипотетический аллотроп углерода оказывается нестабильным. [19]
График Лавеса также может дать кристаллическую структуру бора , которая, как предсказывают вычисления, должна быть стабильной. [20] Другие химические вещества, которые могут образовывать эту структуру, включают SrSi 2 (от которого происходит название «srs net»). [8] и элементарный азот , [9] [20] а также некоторые металлоорганические каркасы [21] и циклические углеводороды . [22]
Была изучена электронная зонная структура для модели сильной связи графа Лавеса, показывающая существование точек Дирака и Вейля в этой структуре. [23] [24]
Другой
[ редактировать ]Структура графа Лавеса и производных от него поверхностей гироида также наблюдалась экспериментально в системах мыльной воды и в хитиновых сетях чешуек крыльев бабочек . [9]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Коксетер, HSM (1955), «О графике Лавеса обхвата десять», Canadian Journal of Mathematics , 7 : 18–23, doi : 10.4153/CJM-1955-003-7 , MR 0067508 , S2CID 124804911
- ^ Лавес, Ф. (1932), «К классификации силикатов. Геометрические исследования возможных кремний-кислородных соединений как возможности соединения правильных тетраэдров», Journal of Crystallography , 82 (1): 1–14, doi : 10.1524/zkri. 1932.82.1.1 , S2CID 101605313
- ^ Перейти обратно: а б Ито, Масахиро; Котани, Мотоко ; Наито, Хисаши; Сунада, Тошиказу ; Кавазоэ, Ёсиюки; Адшири, Тадафуми (2009), «Новый кристалл металлического углерода», Physical Review Letters , 102 (5): 055703, Bibcode : 2009PhRvL.102e5703I , doi : 10.1103/PhysRevLett.102.055703 , PMID 19257523
- ^ Уэллс, А. Ф. (1940), «X. Конечные комплексы в кристаллах: классификация и обзор», The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science , Series 7, 30 (199): 103–134, doi : 10.1080 /14786444008520702
- ^ Перейти обратно: а б Тагами, Макото; Лян, Юнье; Наито, Хисаши; Кавазоэ, Ёсиюки; Котани, Мотоко (2014), «Отрицательно изогнутые кубические кристаллы углерода с октаэдрической симметрией», Carbon , 76 : 266–274, doi : 10.1016/j.carbon.2014.04.077
- ^ Ланье, Джарон (2009), «От плоских структур к многогранникам» , American Scientist , 97:73 , doi : 10.1511/2009.76.73 .
- ^ Секен, Карло Х. (2008), «Сложные изоэдральные мозаики трехмерного евклидова пространства» , в Сарханги, Реза; Секин, Карло Х. (ред.), Бриджес Леуварден: математика, музыка, искусство, архитектура, культура , Лондон: Tarquin Publications, стр. 139–148, ISBN 9780966520194
- ^ Перейти обратно: а б Дельгадо Фридрихс, Олаф; О'Киф, Майкл; Яги, Омар М. (декабрь 2002 г.), «Трепериодические сети и мозаики: регулярные и квазирегулярные сети» (PDF) , Acta Crystallographica Раздел A: Основы кристаллографии , 59 (1): 22–27, doi : 10.1107/s0108767302018494 , hdl : 2027.42/115935 , PMID 12496458
- ^ Перейти обратно: а б с д Хайд, Стивен Т .; О'Киф, Майкл; Прозерпио, Давиде М. (2008), «Краткая история неуловимой, но повсеместно встречающейся структуры в химии, материалах и математике» (PDF) , Angewandte Chemie International Edition , 47 (42): 7996–8000, doi : 10.1002/anie .200801519 , PMID 18767088
- ^ Перейти обратно: а б с д Сунада, Тошиказу (2008), «Кристаллы, которые природа, возможно, не создала» (PDF) , Уведомления Американского математического общества , 55 (2): 208–215, MR 2375022 ; Сунада, Тошикадзу (2008), «Коррекция: кристаллы, которые природа могла упустить из виду» (PDF) , Уведомления Американского математического общества , 55 (3): 343
- ^ Биггс, Н.Л. (1984), «Гомологические покрытия графов», Журнал Лондонского математического общества , вторая серия, 30 (1): 1–14, doi : 10.1112/jlms/s2-30.1.1 , MR 0760867
- ^ Хаугланд, Ян Кристиан (2003), «Классификация некоторых подграфов трехмерной сетки», Journal of Graph Theory , 42 : 34–60, doi : 10.1002/jgt.10071 , MR 1943105 , S2CID 247671824
- ^ Перейти обратно: а б Кузьмин, доктор медицинских наук; Кузян, Р.О.; Рихтер, Дж. (2020), «Ферромагнетизм полупростой кубической решетки», The European Physical Journal Plus , 135 : 750, doi : 10.1140/epjp/s13360-020-00722-z .
- ^ Слоан, Нью-Джерси (редактор), «Последовательность A038620 (функция роста (или координационная последовательность) бесконечного кубического графа, соответствующего сети srs)» , Интернет -энциклопедия целочисленных последовательностей , Фонд OEIS
- ^ Шон, Алан Х. (июнь – июль 2008 г.), «О графике (10,3)-a» (PDF) , Уведомления Американского математического общества , 55 (6): 663
- ^ Баэз, Джон (14 октября 2016 г.), «График Лавеса» , Visual Insight , Американское математическое общество
- ^ Алекс, Джером; Гроссе-Браукманн, Карстен (2017), Периодические сети Штейнера, минимизирующие длину , arXiv : 1705.02471 ; Алекс, Джером (2019), Периодическая задача Штейнера (докторская диссертация), Технический университет Дармштадта
- ^ Верховофф, Том; Верховев, Коос (2013), «Сложенные полоски ромбов и призыв к ромб» , в Харте, Джордже У .; Сарханги, Реза (ред.), Proceedings of Bridges 2013: Mathematics, Music, Art, Architecture, Culture , Phoenix, Arizona: Tessellations Publishing, стр. 71–78, ISBN 978-1-938664-06-9 ; см. также Bamboozle: A Mathematical Artwork в MetaForum , Foundation MathArt Koos Verhoeff , получено 20 августа 2022 г.
- ^ Лян, Ю.; Чжан, В.; Чен, Л. (2009), «Фазовая стабильность и механические свойства двух новых кристаллов углерода», EPL , 87 (5): 56003, Bibcode : 2009EL.....8756003L , doi : 10.1209/0295-5075/87/ 56003 , S2CID 119424557
- ^ Перейти обратно: а б Дай, Джун; Ли, Чжэньюй; Ян, Цзиньлун (2010), «Кристалл бора K 4 : стабильный хиральный трехмерный sp 2 сеть», Physical Chemistry Chemical Physics , 12 (39): 12420–12422, Bibcode : 2010PCCP...1212420D , doi : 10.1039/C0CP00735H , PMID 20820588
- ^ Ян, Хуэй; Ли, Те-ху; Ван, Фэй; Чжан, Цзянь (февраль 2012 г.), «Необычные гетерометаллические строительные блоки ZnMg(COO) 3 для построения гомохирального металлоорганического каркаса srs-типа», Inorganic Chemistry Communications , 16 : 86–88, doi : 10.1016/j.inoche .2011.11.039
- ^ Фукунага, Тошия М.; Като, Такахидэ; Икемото, Коки; Исобе, Хироюки (февраль 2022 г.), «Минимальная клетка алмазного двойника с хиральностью», Proceedings of the National Academy of Sciences , 119 (7), Bibcode : 2022PNAS..11920160F , doi : 10.1073/pnas.2120160119 , PMC 8851511 , PMID 35131931
- ^ Кауфманн, Ральф М.; Хлебников Сергей; Вефриц-Кауфманн, Биргит (2012), «Особенности, ласточкиные хвосты и точки Дирака: анализ семейств гамильтонианов и приложения к проводным сетям, особенно гироиду», Annals of Physics , 327 (11): 2865–2884, arXiv : 1208.3262 , Bibcode : 2012AnPhy.327.2865K , doi : 10.1016/j.aop.2012.08.001 , S2CID 14972547
- ^ Цучиидзу, Масахиса (2016), «Трехмерные дисперсии Дирака и Вейля с более высоким спином в сильно изотропном кристалле K 4 », Physical Review B , 94 (19): 195426, arXiv : 1609.09762 , Bibcode : 2016PhRvB..94s5426T , doi : 10.1103/PhysRevB.94.195426 , S2CID 119098343
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Харт, Джордж У. , (10, 3)-сеть .
- Слоан, Нью-Джерси (редактор), «Последовательность A046944 (количество самоизбегающих блужданий длины n на графе Лавеса)» , Интернет -энциклопедия целочисленных последовательностей , Фонд OEIS
- Слоан, Нью-Джерси (редактор), «Последовательность A290705 (Тэта-серия трехугольника)» , Интернет -энциклопедия целочисленных последовательностей , Фонд OEIS