二维和三维平移群

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 该文本解释了在二维和三维空间中的平移,使用了向量和矩阵。
  • 它将平移群描述为交换群,具有单位元素。
  • 通过群论引入了诸如种类和长度等概念。

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平移群:

考虑二维空间(x, y)。在此类空间中,平移由平移向量(Dx, Dy)定义。通常我们写作:
(27) x' = x + Dx
y' = y + Dy

为了得到新的值 x' 和 y',我们使用加法。我们能否通过……乘法得到相同的结果呢?

考虑以下矩阵:
(28)

注意到它们由两个独立参数 Dx 和 Dy 定义。因此该群的维数为 2。

形式为:
(29)

注意到这与简单的矩阵乘法
(30) g × r

有本质区别。

这是一种特殊的群作用。
(31)

此外,我们也可以考虑三维或四维空间中的平移。相应的方阵构成的群为:
(32)

(33)

对应的作用为:
(34)

平移群是可交换的。其单位元是零平移。

为何使用矩阵群?

……利用矩阵群,我们可以将多个操作合并为一个操作,一次完成。考虑以下矩阵和作用:
(35-1)

……我们将两个操作结合:一个旋转(角度为 a),加上一个平移(Dx, Dy)。
群 G 中的元素 g 作用于空间 r = (x, y),不是“直接”作用,而是通过一种更精细的“作用”实现。这个群
(35-2)

被称为“特殊欧几里得群 SE(2)”,它作用于二维空间。这个名字将在后面解释。

它的维数是多少?它依赖于三个自由参数:(a, Dx, Dy),因此其维数为三。我们可以写作:

gSE(a, Dx, Dy)

子群:

对我们而言,群是一组方阵。在这组中,我们可以找到一些子集。

gSE(0, Dx, Dy) 是平移子群。
gSE(a, 0, 0) 是绕原点 0 的旋转子群。
gSE(0, Dx, 0) 是平行于 OX 轴的平移子群。

上述群作用于点。这些点没有特殊特征,它们只是……点,仅此而已。

……但稍后,描述物理世界的其他群将携带具有不同特征(“属性”)的点:质量、能量、动量、自旋等。

在上述群中,只有点的集合才值得被搬运。这时就出现了基本概念:

种类。

……我们的第一个群搬运几何对象,即点的集合,几何图形(“刚体”)。最简单的集合由两个点组成。考虑二维空间中的点对:
(35-3)

……在图 (35-3) 中,画出了两组点对 (A, B) 和 (A', B')。我可以找到群中的一个元素,将 (A, B) 变为 (A', B'):通过绕点 O 旋转并结合平移实现。参见图 (35-4)。
(35-4)

现在考虑两组点对:
(35-5)

无法找到群 G 中的任何元素 g(方阵),能将 (A, B) 映射到 (A", B")。我将说:

(A, B) 和 (A', B') 属于同一类。

(A, B) 和 (A", B") 属于不同类。

点对种类的特征称为长度

这就是群论中对“长度”的定义。

……你如何断定两个线段长度相等?因为你可以将它们进行比较,使一个叠在另一个上。

……在我们的群中,长度不同的两条线段属于不同种类,因为我们的群不允许伸缩或压缩(相似变换)。负责处理此类变换的群是另一个群(“特殊笛卡尔群”):
(35-6)

相对于这个群,所有点对都属于同一类。该群的维数为四。

除了两个点,我们也可以考虑三个或四个点,这些点可构成正方形等图形。
(36)

……相对于群 (35-1),边长相等的正方形属于同一类。但如果两个正方形的边长本质不同:
(37)

它们就属于不同种类。

这个群控制二维平移和固定平面内绕定点的旋转,即特殊欧几里得群:SE(2)。

现在我们可以很容易地想象一个类似群作用于三维空间。三维和平面中的平移群已在 (32) 和 (33) 给出。

我们也可以轻松设想一个描述 n 维空间中平移的群。但旋转又如何处理呢?

……我们可以想象三维空间中的旋转。甚至可以用包含三个角度(欧拉角)的矩阵来表示它:因此其维数为三。

索引 动态群论

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