文章目錄

读者一定寄过信吧?信抵邮局,按种类大小给划分.让我们只考虑普通信件,它们每封的形状大小差不多,叠齐了职员便盖邮戳.但虽然叠齐了,信封上贴邮票的角落(正面右上角)却不一定都落在同一个位置,在一叠信件里,邮票可能落在四个位置,分别记作$(1)$、$(2)$、$(3)$和$(4)$,如图$2.3$所示.

为了省钱,探测邮票的感应器是固定的,它只探测信封的正面右上角.现在问:应该怎样把信移动,务使$(1)$、$(2)$、$(3)$和$(4)$这四种情况都受到处理,在邮票上盖上邮戳呢?当然,我们可以先探测正面右上角,有邮票的话便划分开来盖邮戳,没有的话便把信绕着一条横中线作轴翻转$180^{\circ }$(把这个移动叫做$H$),然后探测;有邮票的话便划分开来盖邮戳,没有的话便再用一次$H$这个移动还原;按着把信绕着中心旋转$180^{\circ}$(把这个移动叫做$R$),然后探测;有邮票的话便划分开来盖邮戳,没有的话便再用一次$R$这个移动还原;接着把信绕着一条纵中线作轴翻转$180^{\circ}$(把这个移动叫做$V$),然后探测;如果还探测不到邮票,那么只有两种可能,或者发信人没有贴邮票,或者他把邮票贴在错误的位置上,无论是哪一种情况,划分开来处理便是(图$2.4$).

这样做最多可要用遍五次移动,但其实先用$H$再用$R$,效果等于只用一次$V$;同样地,先用$R$再用$V$,效果等于只用一次$H$.换句话说,刚才一连串五个移动,可以缩减为三个:探测,然后用$H$,再探测,然后用$V$,再探测,然后用$H$,最后探测(图$2.5$).

除了减少步骤外,这样做还可以避免采用某些较难实施的移动.例如第二种方案只有三步,而且没有一步用$R$,$R$比$H$或$V$较难实施,有些邮局的自动排信机,的确是采用这种方案的.

转看另一个应用的例子,是电脑的循环式储存器的存取控制.为了简化叙述,假定只有四个储存器,循环地转动,要取得储存于某个储存器的资料,必须待它旋转抵达阅读站是方能把它取出来抄写.为了记录哪一个储存器转抵阅读站,有个计数器负责记录工作,比如开始时$0$号储存器在阅读站,计数器出现$0$,以后每转一次,计数器即加$1$.所以当$1$号储存器抵阅读站时,计数器出现$1$;$2$号储存器抵阅读站时,计数器出现$2$.但这样加下去,转$4$次后计数器岂不是出现$4$,转$5$次后计数器岂不是出现$5$吗?然而抵达阅读站的储存器却分别是$0$号和$1$号呀!因此,计数器使用的加法,不是普通的加法,而是一种数学上称作模$4$的加法,即是按普通加法得出的和,以$4$除和,剩下的余数才是答案.例如模$4$的加法中,$2+3=1$,因为$2+3$本来是$5$,以$4$除$5$余$1$,这也表示了转$2$次接着转$3$次,效果等于只转$1$次.

上面两个应用的例子与第$2.2$节的对称有什么关系呢?在第一个例子里,这个关系是明显不过,我们面对的根本就是一个矩形(非正方形)的对称,共有$4$个,即是上面叫做$H$、$R$、$V$那三个移动和纹丝不动的这一个移动,让我们把最后一个移动叫做$I$.第二个例子其实也可以看做是某个几何图形的对称,比如说梵文万字的对称(图$2.6$).

绕着这个图形的四次对称心转$0^{\circ}$、$90^{\circ}$、$180^{\circ}$、$270^{\circ}$,得到$4$个对称,也就是全部对称了.请读者注意,镜像反影(相当于把图形翻转)并不是这个图形的对称,它把梵文万字变成另一个意义完全不同的丑恶符号!(说来也巧,原来的梵文万字是图中所见的图形的镜像,它在不少古代文化里都曾出现,是吉祥仁慈的标记.在$1920$年希特勒采用了这个符号作为他的国社党——简称纳粹党——的党徽,从此这符号便给玷污了.但这个符号随佛教传入古代中国时,不知怎的却被翻转了,一直误传下去,竟又与纳粹党徽有别!)

虽然矩形和梵文万字都有四个对称,直觉上我们意会到二者的对称性质有别.比如矩形拥有两条对称轴,也即是说相应于这两条对称轴的对称重复一次便把图形还原;剩下的两个对称,一个是恒定不动,另一个是绕二次对称心转$180^{\circ}$,后者重复一次也把图形还原.梵文万字却没有对称轴,只有绕四次对称心转$180^{\circ}$这个对称重复一次把图形还原,剩下的三个对称,一个是恒定不动,另外两个都是重复至少三次才把图形还原.因此,要注意的不单是有多少个对称,还得注意这些对称之间的结合关系.所谓结合关系,就是指先实施移动甲再实施移动乙,效果是否等于只实施某一个移动呢?是的话又是哪一个移动呢?最清晰的表达方式是列一个结合关系表,全部对称以符号代替,放置在第一行第一列,在每行每列相交的位置写下位于该行该列的对称的结合.例如第一个例子里的四个对称的结合关系表,如图$2.7$所示.

看看$R$那一行和$V$那一列,相交的位置出现$H$,意思是说先实施$V$再实施$R$,效果等于只实施$H$,简写作$RV=H$.第二个例子里的四个移动,看成是梵文万字的对称,以$e$、$r$、$s$、$t$代替,分别是绕着四次对称心转$0^{\circ}$、$90^{\circ}$、$180^{\circ}$、$270^{\circ}$,得出来的结合关系表,如图$2.8(a)$所示.

请读者留意,这个表和$0$、$1$、$2$、$3$的模$4$加法表(图$2.8(b)$)是不是很相似呢?只要把$e$、$r$、$s$、$t$分别换作$0$、$1$、$2$、$3$,便从一个表得出另一个表了.但这个表跟前一个表(图$2.7$)却有本质上的差别,无论你怎样调换$e$、$r$、$s$、$t$的次序,再易名为$I$、$R$、$V$、$H$,也绝对没有办法得出前一个表的,其中道理我们刚才解释过.

文章目錄