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Gruppo di traslazioni :
Consideriamo uno spazio a 2 dimensioni (x,y). In uno spazio di questo tipo, una traslazione è definita da un vettore di traslazione (Dx,Dy). Si scrive di solito:
(27) x' = x + Dx y' = y + Dy
Per ottenere i nuovi valori x' e y', utilizziamo l'addizione. Potremmo ottenere gli stessi risultati attraverso una .....moltiplicazione ?
Consideriamo le seguenti matrici:
(28)
Notiamo che sono definite da due parametri indipendenti Dx e Dy. La dimensione del gruppo è quindi 2.
Forma:
(29)
Notiamo che questa è fondamentalmente diversa dalla moltiplicazione matriciale semplice
(30) g x r
Si tratta di un'azione particolare del gruppo.
(31)
Inoltre, possiamo considerare le traslazioni in spazi a 3D o 4D. Le matrici quadrate corrispondenti, che formano gruppi, sono:
(32)
(33)
L'azione corrispondente è:
(34)
Il gruppo delle traslazioni è commutativo. Il suo elemento neutro è la traslazione nulla.
Gruppi di matrici: perché?
...Con i gruppi di matrici possiamo combinare diverse operazioni in una sola, in un'unica azione. Consideriamo le seguenti matrici e l'azione seguente:
(35-1)
...Combiniamo due elementi: una rotazione (di angolo a), più una traslazione (Dx,Dy).
L'elemento g del gruppo G agisce sull'ambiente r = (x,y), non "direttamente", ma attraverso un'azione più raffinata. Questo gruppo
(35-2)
chiamato "gruppo euclideo speciale SE(2)", agisce sull'ambiente a 2 dimensioni. Questo nome sarà spiegato in seguito.
Qual è la sua dimensione? Dipende da tre parametri liberi: (a, Dx, Dy), quindi la sua dimensione è tre. Possiamo scriverla:
gSE (a, Dx, Dy)
Sottogruppi.
Per noi, un gruppo è un insieme di matrici quadrate. Tra questo insieme possiamo trovare sottoinsiemi.
gSE (0, Dx, Dy) è il sottogruppo delle traslazioni. gSE (a, 0, 0) è il sottogruppo delle rotazioni intorno all'origine 0. gSE (0, Dx, 0) è il sottogruppo delle traslazioni parallele all'asse OX.
Il gruppo sopra trasporta punti. Questi punti non hanno caratteristiche particolari. Sono... punti, nient'altro.
...Ma in seguito, altri gruppi, che descrivono il mondo fisico, trasporteranno punti che avranno caratteristiche diverse, "attributi": massa, energia, quantità di moto, spin...
Con il gruppo sopra, solo gli insiemi di punti sono interessanti da trasportare. Qui appare il concetto fondamentale di:
Specie.
...Il nostro primo gruppo trasporta oggetti geometrici, che sono insiemi di punti, figure geometriche ("rigide"). L'insieme più semplice è formato da due punti. Consideriamo coppie di punti in uno spazio a 2 dimensioni:
(35-3)
...Nella figura (35-3) sono state rappresentate due coppie di punti (A,B) e (A',B'). Posso trovare un elemento del gruppo che trasforma (A,B) in (A',B'): combinando una rotazione intorno al punto O e una traslazione. Vedi la figura (35-4).
(35-4)
Ora consideriamo le due coppie:
(35-5)
Impossibile trovare alcun elemento g (matrice quadrata) del mio gruppo G che possa trasportare (A,B) su (A",B"). Dirò che:
(A,B) e (A',B') appartengono alla stessa specie.
(A,B) e (A",B") appartengono a specie diverse.
La caratteristica di una specie di coppie di punti si chiama lunghezza.
Questa è la definizione di lunghezza in termini di teoria dei gruppi.
...Come puoi affermare che due segmenti hanno la stessa lunghezza? Perché puoi confrontarli, sovrapponendone uno all'altro.
...Nel nostro gruppo, due segmenti la cui lunghezza è diversa appartengono a specie diverse, perché il nostro gruppo non permette dilatazioni o contrazioni (trasformazioni omotetiche). Il gruppo che se ne occupa è un altro gruppo ("gruppo cartesiano speciale"):
(35-6)
Rispetto a questo gruppo, tutte le coppie di punti formano la stessa specie. La dimensione di questo gruppo è quattro.
Al posto di due punti, potremmo considerare tre o quattro punti, questi ultimi ad esempio formando quadrati.
(36)
...Rispetto al gruppo (35-1), i quadrati i cui lati hanno la stessa lunghezza appartengono alla stessa specie. Ma se i lati di due quadrati sono fondamentalmente diversi:
(37)
appartengono a specie diverse.
Questo gruppo, che regola le traslazioni in 2D e le rotazioni intorno a un punto fisso di un piano, è il gruppo euclideo speciale: SE(2).
Ora possiamo facilmente immaginare un gruppo simile che agisce su uno spazio a 3D. I gruppi delle traslazioni in 3D e 4D sono stati dati in (32) e (33).
Possiamo facilmente immaginare un gruppo che descrive le traslazioni in uno spazio a n dimensioni. Ma cosa succede alla rotazione?
...Possiamo immaginare una rotazione in uno spazio a 3D. Possiamo persino scriverla utilizzando una matrice che contiene tre angoli, gli angoli di Eulero: quindi la sua dimensione è tre.
Index Teoria dei gruppi dinamici
Versione originale (inglese)
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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.