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1701003648 第二种更为狂野的翻转床垫的方法是“竖直翻转”,我们将这种方式记作V。竖直翻转要把床垫先立起来,让它几乎碰到天花板,然后让床垫头尾、正反皆翻转。“竖直翻转”的净效果(除了一声巨大的轰鸣以外)是床垫沿着短轴翻转了180度,如下图所示。
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1701003653 第三种翻转床垫的方法是保持床垫正面朝上,把它旋转半圈,让床头变成床尾,床尾变成床头。这种方式我们记为R,意思是“旋转”。水平翻转和竖直翻转都让床垫变为反面在上,而旋转后床垫仍保持正面朝上。
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1701003658 为了更形象地展示这几种翻转床垫方法的区别,我们想象床垫是透明的,即使反面朝上后仍能看见写在床垫正面的数字。水平翻转后,4个数字变成了原来的镜像,数字的排列发生了变化,1和2换了位置,3和4换了位置。
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1701003663 而竖直翻转后,数字的排列则发生了另一种形式的变化:数字不仅变成了原来的镜像(1和2换了位置,3和4换了位置),而且1和2从上面换到了下面,3和4则从下面换到了上面。
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1701003668 最后来看一下旋转法。旋转后数字不会变成原来的镜像,它们只是头尾颠倒了而已。旋转后,1和4交换了位置,2和3交换了位置。
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1701003673 这些变化的细节并不重要,重要的是这几种转化方式之间的联系是怎样的。这4种转化方式之间的关系,反映出床垫这个物体的对称性质。
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1701003675 为了说清楚这个问题,我画了这样一张图。(这种图在内森·卡特的《视觉群论》里比比皆是。《视觉群论》这本书写得非常好,绝对是群论入门书籍中最棒的一本,甚至是我读过的所有高等数学入门类书籍中写得最好的一本。)
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1701003680 上图4个角上的方块表示床垫可能出现的4种状态。左上角是床垫翻转(或旋转)前的初始状态。箭头表示翻转(或旋转)的方式,这些箭头把床垫的4种状态连接起来。
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1701003682 比如说,从左下状态指向右上状态的箭头表示“旋转”R。这个箭头是双向的,因为如果把床垫旋转2次,床垫就会回到初始状态。
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1701003684 这并不奇怪吧,如果把床头转到床尾,然后又把新的床头转到新的床尾,就相当于什么也没做(床垫又回到初始状态)。这个性质可以用方程式表示为:
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1701003686 RR = I
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1701003688 上式中的RR表示把R这种转化做了两次;I表示初始状态(单位元素)。同样,如果连续水平翻转两次,或者连续竖直翻转两次,床垫都会回到初始状态,也就是:
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1701003690 HH = I
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1701003692 VV = I
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