5.正交群O(4),SO(4);O(3),SO(3)

第二章,四维和三维旋转群

在这一章,从正交对称性出发给出了旋转群SO(4),SO(3)的方程。作为这些群的应用,介绍了晶体群和开普勒问题。

考虑四维矢量空间,向量对自身的标积定义为模,这看起来就是距离空间和内积空间的联系。

通过推导,得到了两个不同向量间的标积,也就是两个四元数间的标积。

(x,y)=\frac{1}{2}(xy_c+yx_c)这是常用的公式,要注意四元数是非交换的,所以乘积顺序不能改变

两个四元数是正交的,如果他们的标积为0,一个四元数是单位化的,如果他关于自身的标积为1。

通过关系(a,x)=0可以定义一个超曲面,a就是垂直于超曲面的向量。平面对称性的表述可以这样得到。

关于超曲面的对称性,x关于超曲面的对称点x‘可以这样得到,过点x作垂直于超曲面的直线,并且延长同样的长度。

其实,就是点关于直线的对称点的推广,中垂线,中垂面,中垂超曲面。

假定超曲面经过原点,于是经过一番推导可得到

x^{\prime}=-\frac{ax_ca}{aa_c}

这个好像是三反射定理,任意的旋转可以视为偶数次对称的复合,任意的反射是奇数次对称的复合。反射和旋转是正交变换的两种形式。

旋转是保向的变换,行列式为1,反射是反向的变换,行列式为-1。正交变换要求行列式为\pm 1,所以这两种就是全部的正交变换了。

四维旋转群SO(4)用四元数表示就是x^{\prime}=axb;aa_c=bb_c=1

附加上反射x^{\prime}=-ax_cb;aa_c=bb_c=1,就构成了四维正交群O(4),这个群根据定义,是保标积的。也就是作用前后,标积数值不变。

任意的四维转动可以写为三维转动的复合。

这里的记号写错了,应更正为\vert (1+fg \vert =\vert S(1+fg) \vert

将三维向量空间视为\mathbb H的线性子空间,于是相应的平面对称就是超曲面对称的特例。三维旋转群SO(3)就是保向旋转的集合,

单位四元数可以表示为r=(cos\frac{\theta }{2}+\mathbf usin\frac{\theta }{2}),其中u是单位向量,表示过原点的转轴,θ是向量x绕u转过的角度,正方向由右手螺旋规则给出。x的模的保持给出了等式,旋转前后向量长度不变。

考虑四元数在三维旋转下的性质,会发现标量部分不受影响。所有的保向旋转和反向旋转构成了三维正交群O(3)

通过推导,可以得到三维旋转的经典公式。

上面公式的矩阵形式,得到的是正交矩阵。即满足A^T=A^{-1}



这一次,考察了旋转群,原来三维正交群的所有元素都能视为旋转,由此旋转还分为正向和反向,这个以前还真不知道。所以三维总感觉是残缺的,或者说是奇异的,就像解析函数在实数范围内是性质古怪的一样,需要一个自然的额外维度来补全这种遗憾。

然后,感觉这书的难度不高,理解上的困难没有多少,毕竟是很经典的代数运算。感觉没必要在写下去了,不需要这种督促方式也能很顺利的看完。所以,休息了这些天,重开范畴论,这次要搞懂伴随函子的概念。

这是这本书的名字,想了解的就自己去了解吧。

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