a4103
| 3 |
|---|
Ομάδα μεταφορών:
Θεωρήστε ένα δισδιάστατο χώρο (x,y). Σε τέτοιο χώρο, μια μεταφορά ορίζεται από ένα διάνυσμα μεταφοράς (Dx,Dy). Συνήθως γράφουμε:
(27) x' = x + Dx y' = y + Dy
Για να λάβουμε τις νέες τιμές x' και y', χρησιμοποιούμε την πρόσθεση. Μπορούμε να πάρουμε τα ίδια αποτελέσματα μέσω μιας .....πολλαπλασιασμού ;
Θεωρήστε τα ακόλουθα πίνακες:
(28)
Παρατηρούμε ότι ορίζονται από δύο ανεξάρτητους παραμέτρους Dx και Dy. Άρα η διάσταση της ομάδας είναι 2.
Μορφή:
(29)
Παρατηρούμε ότι αυτό διαφέρει βασικά από τον απλό πινακοπολλαπλασιασμό
(30) g x r
Πρόκειται για μια ιδιαίτερη ενέργεια της ομάδας.
(31)
Επίσης, μπορούμε να θεωρήσουμε μεταφορές σε χώρους 3D ή 4D. Οι αντίστοιχοι τετραγωνικοί πίνακες, που δημιουργούν ομάδες, είναι:
(32)
(33)
Η αντίστοιχη ενέργεια είναι:
(34)
Η ομάδα των μεταφορών είναι αντιμεταθετική. Το ουδέτερο στοιχείο της είναι η μηδενική μεταφορά.
Ομάδες πινάκων: γιατί;
...Με τις ομάδες πινάκων μπορούμε να συνδυάσουμε πολλές ενέργειες σε μία μόνο, σε μία μόνη ενέργεια. Θεωρήστε τους ακόλουθους πίνακες και την ακόλουθη ενέργεια:
(35-1)
...Συνδυάζουμε δύο στοιχεία: μια περιστροφή (γωνία a), και μια μεταφορά (Dx,Dy).
Το στοιχείο g της ομάδας G ενεργεί στον χώρο r = (x,y), όχι "άμεσα", αλλά μέσω μιας πιο λεπτομερούς "ενέργειας". Αυτή η ομάδα
(35-2)
ονομάζεται "ειδική ευκλείδεια ομάδα SE(2)", και ενεργεί στο δισδιάστατο χώρο. Αυτό το όνομα θα εξηγηθεί αργότερα.
Ποια είναι η διάστασή της; Εξαρτάται από τρεις ελεύθερες παραμέτρους: (a, Dx, Dy), άρα η διάστασή της είναι τρεις. Μπορούμε να τη γράψουμε:
gSE (a, Dx, Dy)
Υποομάδες.
Για εμάς, μια ομάδα είναι ένα σύνολο τετραγωνικών πινάκων. Μέσα σε αυτό το σύνολο μπορούμε να βρούμε υποσύνολα.
gSE (0, Dx, Dy) είναι η υποομάδα των μεταφορών. gSE (a, 0, 0) είναι η υποομάδα των περιστροφών γύρω από την αρχή 0. gSE (0, Dx, 0) είναι η υποομάδα των μεταφορών παράλληλων στον άξονα OX.
Η παραπάνω ομάδα μεταφέρει σημεία. Αυτά τα σημεία δεν έχουν καμία ιδιαίτερη ιδιότητα. Είναι... σημεία, τίποτα άλλο.
...Αλλά αργότερα, άλλες ομάδες, που περιγράφουν το φυσικό κόσμο, θα μεταφέρουν σημεία με διαφορετικές ιδιότητες, "χαρακτηριστικά": μάζα, ενέργεια, ορμή, σπίν...
Με την παραπάνω ομάδα ενδιαφέρονται μόνο τα σύνολα σημείων. Εδώ εμφανίζεται το βασικό εννοιολογικό πλαίσιο της:
Είδος.
...Η πρώτη μας ομάδα μεταφέρει γεωμετρικά αντικείμενα, που είναι σύνολα σημείων, γεωμετρικά ("στερεά") σχήματα. Το απλούστερο σύνολο αποτελείται από δύο σημεία. Θεωρήστε ζεύγη σημείων σε δισδιάστατο χώρο:
(35-3)
...Στο σχήμα (35-3) απεικονίστηκαν δύο ζεύγη σημείων (A,B) και (A',B'). Μπορώ να βρω ένα στοιχείο της ομάδας που μετασχηματίζει (A,B) σε (A',B'): συνδυάζοντας μια περιστροφή γύρω από το σημείο O και μια μεταφορά. Δείτε το σχήμα (35-4).
(35-4)
Τώρα θεωρήστε τα δύο ζεύγη:
(35-5)
Αδύνατο να βρεθεί κάποιο στοιχείο g (τετραγωνικός πίνακας) της ομάδας G που να μεταφέρει (A,B) στο (A",B"). Θα πω ότι:
(A,B) και (A',B') ανήκουν στο ίδιο είδος.
(A,B) και (A",B") ανήκουν σε διαφορετικά είδη.
Η ιδιότητα ενός είδους ζευγών σημείων ονομάζεται μήκος.
Αυτή είναι η ορισμένη έννοια του μήκους σε όρους θεωρίας ομάδων.
...Πώς μπορείτε να δηλώσετε ότι δύο τμήματα έχουν το ίδιο μήκος; Γιατί μπορείτε να τα συγκρίνετε, τοποθετώντας το ένα πάνω στο άλλο.
...Στην ομάδα μας δύο τμήματα με διαφορετικό μήκος ανήκουν σε διαφορετικά είδη, γιατί η ομάδα μας δεν επιτρέπει διαστολές ή συστολές (ομοιόθετες μετασχηματισμούς). Η ομάδα που ασχολείται με αυτό είναι μια διαφορετική ("ειδική καρτεσιανή ομάδα"):
(35-6)
Σε σχέση με αυτή την ομάδα, όλα τα ζεύγη σημείων αποτελούν το ίδιο είδος. Η διάσταση αυτής της ομάδας είναι τέσσερα.
Αντί για δύο σημεία, μπορούμε να θεωρήσουμε τρία ή τέσσερα σημεία, που μπορεί να αποτελούν π.χ. τετράγωνα.
(36)
...Σε σχέση με την ομάδα (35-1), τα τετράγωνα με πλευρές ίδιου μήκους ανήκουν στο ίδιο είδος. Αλλά αν οι πλευρές δύο τετραγώνων είναι βασικά διαφορετικές:
(37)
ανήκουν σε διαφορετικά είδη.
Αυτή η ομάδα, που ρυθμίζει τις μεταφορές σε 2D και τις περιστροφές γύρω από ένα σταθερό σημείο ενός επιπέδου, είναι η ειδική ευκλείδεια ομάδα: SE(2).
Τώρα μπορούμε εύκολα να φανταστούμε μια παρόμοια ομάδα που ενεργεί σε τρισδιάστατο χώρο. Οι ομάδες των μεταφορών σε 3D και 4D δόθηκαν στα (32) και (33).
Μπορούμε εύκολα να φανταστούμε μια ομάδα που περιγράφει μεταφορές σε n-διάστατο χώρο. Αλλά τι γίνεται με τις περιστροφές;
...Μπορούμε να φανταστούμε μια περιστροφή σε τρισδιάστατο χώρο. Μπορούμε ακόμη και να τη γράψουμε με έναν πίνακα που περιέχει τρεις γωνίες, τις γωνίες Euler: άρα η διάστασή της είναι τρεις.
Δείκτης Θεωρίας Δυναμικών Ομάδων
Πρωτότυπη έκδοση (αγγλικά)
a4103
| 3 |
|---|
Group of translations :
Consider 2d space (x,y). In such space a translation is defined by translation vector ( Dx,Dy). We use to write :
(27) x' = x + Dx y' = y + Dy
To get the new values x' and y' we use addition . Could we get the same results through a ..... multiplication ?
Consider the following matrixes :
(28)
Notice they are defined by two independent parameters Dx and Dy. Then the dimension of the group is 2.
Form :
(29)
Notice this is basically different from the simple matricial multiplication
(30) g x r
It is a peculiar group's action.
(31)
By the way, notice we can consider translations in 3d or 4d spaces. The corresponding square matrixes, forming groups, are
(32)
(33)
The corresponding action is :
(34)
The group of translations is commutative. Its neutral element is the null-translation.
Groups of matrixes : why ?
...With matrixes' groups we can combine several operations into a single one, into a single action. Consider the following matrixes and the following action :
(35-1)
...We combine two things : a rotation ( angle a ), plus a translation (Dx,Dy).
The element g of the group G acts on space r = (x,y), not "directly" but through some more refined "action". This group
(35-2)
called "Special Euclid's group SE(2) ", acts on 2d space. This name will be explained further.
What is its dimension ? It depends on three free parameter : (a , Dx , Dy), so that its dimension is three. We may write :
gSE (a, Dx ,Dy)
Sub-groups.
For us, a group is a set of square matrixes. Among this set we can find sub-sets.
gSE (0, Dx, Dy) is the sub-group of translations. gSE (a, 0, 0) is the sub-group of rotations around the origin 0 . gSE (0, Dx, 0) is the sub-group of translation parallel to the axis OX.
The above group carries points. These point own no peculiar characteristics. They are... points, nothing else.
...But, later, other groups, which describe physical world, will carry points which will have different characteristics, "attributes" : mass, energy, impulsion, spin....
With the above group only sets of points are interesting to carry. Here appears the fundamental concept of :
Species.
...Our first group carries geometrical objects, which are sets of points, geometrical ("rigid") figures. The most simple set is composed by two points. Consider couples of points in a 2d space :
(35-3)
...On figure (35-3) two couples of points (A,B) and (A',B') have been figured. I can find an element of the group that transforms (A,B) into (A',B') : combining a rotation around the point O and a translation. See figure (35-4).
(35-4)
Now consider the two couples :
(35-5)
Impossible to find any element g ( square matrix ) of my group G which can carry (A,B) on (A",B"). I will say that:
(A,B) and (A',B') belong to a same species.
(A,B) and (A",B") belong to different species.
The characteristic of a species of couples of points is called length .
This is the definition of length in terms of group theory.
...How can you affirm that two segments have the same length ? Because you can compare them, putting one onto the other one.
...In our group two segments, whose lengths, are different belong to different species, because our group does not rule dilatations or contractions ( homothetic transforms ). The group which takes that in charge is a different one ("Special Descartes' group" ):
(35-6)
with respect to such group all couples of points form the same species. The dimension of this group is four.
Instead two points, we could consider three or four, these last forming squares, for an example.
(36)
...With respect to the group (35-1), squares whose sides have the same length belong to the same species. But if the sides of two squares are basically different :
(37)
they belong to different species.
This group, ruling 2d translation and rotations around a fixed point of a plane is the Special Euclid's group : SE(2).
Now we imagine easily a similar group acting on a 3d space. The group of 3d and 4d translations were given in (32) , (33).
We can imagine easily a group describing translations in a n-dimensional space. But what about rotations ?
...We can imagine rotation in a 3d space. We can even write it with a matrix which contains three angles, the Euler angles : then its dimension is three.