智能机器人与旋量代数(3)

Chapt 2. 李群李代数的基本理论

2.1 群论的基本概念 (The Theory of Groups)

群的概念最初是由19世纪的数学家伽罗瓦提出的,群是抽象代数中的一类结构,,它与研究对称性紧密相关,如代数方程的对称性以及几何图形的对称性(同样的群甚至可以表达几个不同种类物体的对称性)。

通常可以认为群是所有对称运算的集合,群论从本质上来讲就是一种描述各种各样的对称性的数学工具。

定义2.1 群是指可对其元素 g g g 进行二元运算的集合G,有四个基本特征:

(1). 封闭性: G G G 中任意两个元素二元运算的结果仍为 G G G中的元素.

(2). 结合律:对于 g 1 , g 2 , g 3 ∈ G g_{1},g_{2},g_{3}∈G g1,g2,g3G,有: ( g 1 ⋅ g 2 ) g 3 = g 1 ⋅ ( g 2 ⋅ g 3 ) (g_{1}·g_{2})g_{3}=g_{1}·(g_{2}·g_{3}) (g1g2)g3=g1(g2g3).

(3). 幺元律:存在唯一单位元 e e e, 满足 g ⋅ e = e ⋅ g = g g·e=e·g=g ge=eg=g.

(4). 可逆性:对于 g ∈ G g∈G gG,存在唯一的逆元 g − 1 ,满足 g ⋅ g − 1 = g − 1 ⋅ g = e g^{-1},满足g·g^{-1}=g^{-1}·g=e g1,满足gg1=g1g=e.

我们不难发现,对称操作符集合本身就具备群结构的四个基本特征,天然满足群的定义,我们可以将其抽象为群来处理。而群论提供了描述这种结构的强大工具,能够很好地分类和研究不同对称性。

定义2.2 如果对 ∀ g 1 , g 2 ∈ G \forall g_{1},g_{2}∈G g1,g2G,都有 g 1 ⋅ g 2 = g 2 ⋅ g 1 g_{1}·g_{2}=g_{2}·g_{1} g1g2=g2g1,则称群 G G G 为交换群 (Communicative Group),也称阿贝尔群(Abelian Group),即其二元运算还须满足交换律。

**注:**一般情况下,群并不具有可交换性。

19世纪末,挪威数学家Lie引入了连续群的概念,即李群(Lie Group)。Lie群除了符合群本身的四个基本特征外,还需要满足以下三个特殊条件:

(1). 元素 g g g 的集合 G G G 必定构成一个可微分的流行(简称微分流形)。一个微分流形也是一个可积的空间。

(2). 群的积 G × G → G G \times G \rightarrow G G×GG,一定是一个可微分的映射。

(3). g ∈ G g∈G gG 到其逆 g − 1 ∈ G g^{-1}∈G g1G 的映射 g → g − 1 g \rightarrow g^{-1} gg1,也一定是一个可微分的映射。

微分流形(Differential Manifold): 微分流形是一种特殊的拓扑空间。与普通拓扑空间不同的是,微分流形在每个点都定义了一个类似欧几里得空间的局部坐标系。通过这些坐标系,我们可以在流形中的每个点都分别定义切空间和切向量的概念。切空间表示在该点的一个小邻域内的一个拟合平面。切向量描述了流形在该点的方向性质。

同时,流形中的任意两个点之间允许采用连续变换来对应,且这些变换都能保持切空间和切向量的结构成立。这就是说点与点之间的对等是可微的。例如曲面、线等空间都可以看作是微分流形。它在微分几何与连续变换理论中极为重要。

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