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Seção 5.2 Grupos Diedrais

Outro tipo especial de grupo de permutações é o dos grupos diedrais. Recordemos o grupo das simetrias do triângulo equilátero no Capítulo 3. Tais grupos consistem dos movimentos rígidos de um polígono regular de \(n\) lados, ou \(n\)-ágono regular. Para \(n = 3, 4, \ldots\text{,}\) definimos o n-ésimo grupo diedral como o grupo dos movimentos rígidos de n \(n\)-ágono regular. Denotaremos este grupo por \(D_n\text{.}\) Podemos numerar os vértices de um \(n\)-ágono regular com \(1, 2, \ldots, n\) (Figura 5.2.1). Note que há exatamente \(n\) possibilidades para substituir o primeiro vértice. Se substituímos o primeiro vértice por \(k\text{,}\) então o segundo vértice deve ser substituído pelo vértice \(k+1\) ou pelo vértice \(k-1\text{;}\) logo, há \(2n\) movimentos rígidos possíveis do \(n\)-ágono. Resumimos estes resultados no seguinte teorema.

\begin{tikzpicture}[scale=1.5] \draw (1,0) -- (45:1) -- (90:1) -- (135:1) -- (180:1); \draw[dashed] (-1,0) -- (225:1) -- (270:1); \draw (270:1) -- (315:1) -- (1,0); \node [above] at (0,1) {$1$}; \node [left] at (-1,0) {$n-1$}; \node [right] at (1,0) {$3$}; \node at (45:1.2) {$2$}; \node at (135:1.2) {$n$}; \node at (315:1.2) {$4$}; \end{tikzpicture}
Figura 5.2.1. Um \(n\)-ágono regular
\begin{tikzpicture}[scale=1.3] \draw (2,0) +(45:1) node [right] {8} -- +(90:1) node [above] {1} -- +(135:1) node [left] {2} -- +(180:1) node [left] {3} -- +(225:1) node [left] {4} -- +(270:1) node [below] {5} -- +(315:1) node [right] {6} -- +(360:1) node [right] {7} -- cycle; \draw (-2,0) +(45:1) node [right] {2} -- +(90:1) node [above] {1} -- +(135:1) node [left] {8} -- +(180:1) node [left] {7} -- +(225:1) node [left] {6} -- +(270:1) node [below] {5} -- +(315:1) node [right] {4} -- +(360:1) node [right] {3} -- cycle; \draw [->] (-0.5,0) -- (0.5,0); \node [above] at (0,0) {\emph{reflexão}}; \draw (2,2.75) +(45:1) node [right] {3} -- +(90:1) node [above] {2} -- +(135:1) node [left] {1} -- +(180:1) node [left] {8} -- +(225:1) node [left] {7} -- +(270:1) node [below] {6} -- +(315:1) node [right] {5} -- +(360:1) node [right] {4} -- cycle; \draw (-2,2.75) +(45:1) node [right] {2} -- +(90:1) node [above] {1} -- +(135:1) node [left] {8} -- +(180:1) node [left] {7} -- +(225:1) node [left] {6} -- +(270:1) node [below] {5} -- +(315:1) node [right] {4} -- +(360:1) node [right] {3} -- cycle; \draw [->] (-0.5,2.75) -- (0.5,2.75); \node [above] at (0,2.75) {\emph{rotação}}; \end{tikzpicture}
Figura 5.2.3. Rotações e reflexões de um \(n\)-ágono regular
\begin{tikzpicture}[scale=1.2] \draw (2,0) +(18:1) node [right] {5} -- +(90:1) node [above] {1} -- +(162:1) node [left] {2} -- +(234:1) node [left] {3} -- +(306:1) node [right] {4} -- cycle; \draw[dashed] (2,-0.80901) -- (2,1); \draw (-2,0) +(18:1) node [right] {2} -- +(90:1) node [above] {1} -- +(162:1) node [left] {5} -- +(234:1) node [left] {4} -- +(306:1) node [right] {3} -- cycle; \draw[dashed] (-2,-0.80901) -- (-2,1); \draw [->] (-0.5,0) -- (0.5,0); \draw (2,3) +(30:1) node [right] {6} -- +(90:1) node [above] {1} -- +(150:1) node [left] {2} -- +(210:1) node [left] {3} -- +(270:1) node [below] {4} -- +(330:1) node [right] {5} -- cycle; \draw[dashed] (2,2) -- (2,4); \draw (-2,3) +(30:1) node [right] {2} -- +(90:1) node [above] {1} -- +(150:1) node [left] {6} -- +(210:1) node [left] {5} -- +(270:1) node [below] {4} -- +(330:1) node [right] {3} -- cycle; \draw[dashed] (-2,2) -- (-2,4); \draw [->] (-0.5,3) -- (0.5,3); \end{tikzpicture}
Figura 5.2.4. Tipos de reflexões de um \(n\)-ágono regular

Os possíveis movimentos de um \(n\)-ágono regular são reflexões e rotações (Figura 5.2.3). Há exatamente \(n\) rotações possíveis:

\begin{equation*} \identity, \frac{360^{\circ} }{n}, 2 \cdot \frac{360^{\circ} }{n}, \ldots, (n-1) \cdot \frac{360^{\circ} }{n}. \end{equation*}

Denotaremos a rotação em \(360^{\circ} /n\) por \(r\text{.}\) A rotação \(r\) gera todas as rotações. Isto é,

\begin{equation*} r^k = k \cdot \frac{360^{\circ} }{n}. \end{equation*}

Nomeie as \(n\) reflexões \(s_1, s_2, \ldots, s_n\text{,}\) em que \(s_k\) és a reflexão que fixa o vértice \(k\text{.}\) Há dois casos, dependendo de se \(n\) é par ou ímpar. Se há um número par de vértices, então uma reflexão fixa dois deles, e \(s_1 = s_{n/2 + 1}, s_2 = s_{n/2 + 2}, \ldots, s_{n/2} = s_n\text{.}\) Se há um número ímpar de vértices, então uma reflexão fixa somente um vértice e \(s_1, s_2, \ldots, s_n\) são distintas (Figura 5.2.4). Em qualquer caso, a ordem de cada \(s_k\) é dois. Seja \(s = s_1\text{.}\) então \(s^2 = 1\) e \(r^n = 1\text{.}\) Como qualquer movimento rígido \(t\) do \(n\)-ágono substitui o primeiro vértice pelo vértice \(k\text{,}\) o segundo vértice será substituído por \(k+1\) ou por \(k-1\text{.}\) Se o segundo é substituído por \(k+1\text{,}\) então \(t = r^k\text{.}\) Se o segundo é substituído por \(k-1\text{,}\) então \(t = s r^k\text{.}\) Logo, \(r\) e \(s\) geram \(D_n\text{.}\) Isto é, \(D_n\) consiste de todos os produtos finitos de \(r\) e \(s\text{,}\)

\begin{equation*} D_n = \{1, r, r^2, \ldots, r^{n-1}, s, sr, sr^2, \ldots, sr^{n-1}\}. \end{equation*}

Deixaremos a demonstração de que \(srs = r^{-1}\) como um exercício.

O grupo de movimentos de um quadrado, \(D_4\text{,}\) consiste de oito elementos. Com os vértices numerados 1, 2, 3, 4 (Figura 5.2.7), as rotações são

\begin{align*} r & = (1234)\\ r^2 & = (13)(24)\\ r^3 & = (1432)\\ r^4 & = (1) \end{align*}

e as reflexões são

\begin{align*} s_1 & = (24)\\ s_2 & = (13). \end{align*}

A ordem de \(D_4\) é 8. Os dois elementos restantes são

\begin{align*} r s_1 & = (12)(34)\\ r^3 s_1 & = (14)(23). \end{align*}
\begin{tikzpicture}[scale=1.2] \draw (0,0) +(45:2) node [right] {2} -- +(135:2) node [left] {1} -- +(225:2) node [left] {4} -- +(315:2) node [right] {3} -- cycle; \draw[dashed] (0,-1.6) -- (0,1.6); \draw[dashed] (-1.6,0) -- (1.6,0); \draw[dashed] (45:2.2) -- (225:2.2); \draw[dashed] (135:2.2) -- (315:2.2); \end{tikzpicture}
Figura 5.2.7. O grupo \(D_4\)

Subseção 5.2.1 O grupo de movimentos de um Cubo

Podemos investigar os grupos de movimentos de objetos geométricos diferentes dos polígonos de \(n\) lados para obter exemplos interessantes de grupos de permutações. Consideremos o grupo de movimentos rígidos de um cubo. Uma das primeiras perguntas que podemos fazer sobre este grupo é “qual é sua ordem?” Um cubo tem 6 faces. Se uma face em particular está voltada para cima, então existem quatro rotações possíveis do cubo que preservam a cara voltada para cima. Logo, a ordem do grupo é \(6 \cdot 4 = 24\text{.}\) Acabamos de demostrar a seguinte proposição.

\begin{tikzpicture}[scale=1.5] \draw (0,0) -- (0,2) -- (2,2) -- (2,0) -- cycle; \draw (0,2) -- (0.8,2.3) -- (2.8,2.3) -- (2.8,0.3) -- (2,0); \draw (2,2) -- (2.8,2.3); \draw[dashed] (0,0) -- (0.8,0.3) -- (2.8,0.3); \draw[dashed] (0.8,2.3) -- (0.8,0.3); \draw[densely dotted] (0,0) node [below] {2}-- (2.8,2.3) node [above] {2}; \draw[densely dotted] (0,2) node [above] {4} -- (2.8,0.3) node [below] {4}; \draw[densely dotted] (2,0) node [below] {1} -- (0.8,2.3) node [above] {1}; \draw[densely dotted] (2,2) node [above] {3} -- (0.8,0.3) node [below] {3}; \end{tikzpicture}
Figura 5.2.8. O grupo de movimentos de um cubo

Da proposição 5.2.9, já sabemos que o grupo de movimentos do cubo tem 24 elementos, o mesmo número de elementos que há em \(S_4\text{.}\) Há exatamente quatro diagonais no cubo. Se numeramos estas diagonais com 1, 2, 3, e 4, devemos mostrar que o grupo de movimentos do cubo nos dará qualquer permutação das diagonais (Figura 5.2.8). Se pudermos obter todas estas permutações, então \(S_4\) e o grupo de movimentos rígidos do cubo deverão ser o mesmo. Para obter uma transposição, podemos rodar o cubo em \(180^{\circ}\) em torno do eixo que une os pontos médios de arestas opostas (Figura 5.2.11). Há seis de tais eixos, resultando em todas as transposições em \(S_4\text{.}\) Como todo elemento em \(S_4\) é o produto de um número finito de transposições, o grupo de movimentos de um cubo deve ser \(S_4\text{.}\)

\begin{tikzpicture}[scale=1.5] \draw (0,0) node [below] {2} -- (0,2) node [above] {4} -- (2,2) node [above] {3}-- (2,0) node [below] {1} -- cycle; \draw (0,2) -- (0.8,2.3) node [above] {1} -- (2.8,2.3) node [above] {2}-- (2.8,0.3) node [below] {4} -- (2,0); \draw (2,2) -- (2.8,2.3); \draw[dashed] (0,0) -- (0.8,0.3) -- (2.8,0.3); \draw[dashed] (0.8,2.3) -- (0.8,0.3) node [below] {3}; \draw[densely dotted] (1,0) -- (1.8,2.3); \draw (3.5,0) node [below] {1} -- (3.5,2) node [above] {4} -- (5.5,2) node [above] {3}-- (5.5,0) node [below] {2} -- cycle; \draw (3.5,2) -- (4.3,2.3) node [above] {2} -- (6.3,2.3) node [above] {1}-- (6.3,0.3) node [below] {4} -- (5.5,0); \draw (5.5,2) -- (6.3,2.3); \draw[dashed] (3.5,0) -- (4.3,0.3) -- (6.3,0.3); \draw[dashed] (4.3,2.3) -- (4.3,0.3) node [below] {3}; \draw[densely dotted] (4.5,0) -- (5.3,2.3); \end{tikzpicture}
Figura 5.2.11. Transposições no grupo de movimentos de um cubo

Sage.

Um grupo de permutações é uma representação muito concreta de um grupo, e as ferramentas de Sage para trabalhar com grupos de permutações são muito boas — fazendo da Sage um lugar natural para que principiantes aprendam sobre teoria de grupos.