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-% -% Die Lie-Algebra einer Matrizengruppe -% -\subsection{Lie-Algebra einer Matrizengruppe -\label{buch:section:lie-algebra-einer-matrizengruppe}} -Zu jedem Tangentialvektor $A$ im Punkt $I$ einer Matrizengruppe gibt es -eine Einparameteruntergruppe, die mit Hilfe der Exponentialfunktion -$e^{At}$ konstruiert werden kann. -Für die folgende Konstruktion arbeiten wir in der Gruppe -$\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$, in der jede Matrix auch ein -Tangentialvektor ist. -Wir werden daraus die Lie-Klammer ableiten und später verifizieren, -dass diese auch für die Tangentialvektoren der Gruppen -$\operatorname{SO}(n)$ oder $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ funktioniert. - -\subsubsection{Lie-Klammer} -Zu zwei verschiedenen Tagentialvektoren $A\in M_n(\mathbb{R})$ und -$B\in M_n(\mathbb{R})$ gibt es zwei verschiedene Einparameteruntergruppen -$e^{At}$ und $e^{Bt}$. -Wenn die Matrizen $A$ und $B$ oder die Einparameteruntergruppen -$e^{At}$ und $e^{Bt}$ vertauschbar sind, dann stimmen -$e^{At}e^{Bt}$ und $e^{Bt}e^{At}$ nicht überein. -Die zugehörigen Potenzreihen sind: -\begin{align*} -e^{At} -&= -I+At + \frac{A^2t^2}{2!} + \frac{A^3t^3}{3!} + \dots -\\ -e^{Bt} -&= -I+Bt + \frac{B^2t^2}{2!} + \frac{B^3t^3}{3!} + \dots -\\ -e^{At}e^{Bt} -&= -\biggl(I+At + \frac{A^2t^2}{2!} + \dots\biggr) -\biggl(I+Bt + \frac{B^2t^2}{2!} + \dots\biggr) -\\ -&= -I+(A+B)t + \biggl(\frac{A^2}{2!}+AB+\frac{B^2}{2!}\biggr)t^2 +\dots -\\ -e^{Bt}e^{At} -&= -\biggl(I+Bt + \frac{B^2t^2}{2!} + \dots\biggr) -\biggl(I+At + \frac{A^2t^2}{2!} + \dots\biggr) -\\ -&= -I+(B+A)t + \biggl(\frac{B^2}{2!}+BA+\frac{A^2}{2!}\biggr)t^2 +\dots -\intertext{% -Die beiden Kurven $e^{At}e^{Bt}$ und $e^{Bt}e^{At}$ haben zwar den gleichen -Tangentialvektor für $t=0$, sie unterscheiden -sich aber untereinander, und sie unterscheiden sich von der -Einparameteruntergruppe von $A+B$} -e^{(A+B)t} -&= -I + (A+B)t + \frac{t^2}{2}(A^2 + AB + BA + B^2) + \ldots -\intertext{Für die Unterschiede finden wir} -e^{At}e^{Bt} - e^{(A+B)t} -&= -\biggl(AB-\frac{AB+BA}2\biggr)t^2 -+\ldots -= -(AB-BA) \frac{t^2}{2} + \ldots -= -[A,B]\frac{t^2}{2}+\ldots -\\ -e^{Bt}e^{At} - e^{(A+B)t} -&= -\biggl(BA-\frac{AB+BA}2\biggr)t^2 -+\ldots -= -(BA-AB) -\frac{t^2}{2} -+\ldots -= --[A,B]\frac{t^2}{2} -\\ -e^{At}e^{Bt}-e^{Bt}e^{At} -&= -(AB-BA)t^2+\ldots -= -\phantom{-}[A,B]t^2+\ldots -\end{align*} -wobei mit $[A,B]=AB-BA$ abgekürzt wird. - -\begin{definition} -\label{buch:gruppen:def:kommutator} -Der Kommutator zweier Matrizen $A,B\in M_n(\mathbb{R})$ ist die Matrix -$[A,B]=AB-BA$. -\end{definition} - -Der Kommutator ist bilinear und antisymmetrisch, da -\begin{align*} -[\lambda A+\mu B,C] -&= -\lambda AC+\mu BC-\lambda CA -\mu CB -= -\lambda[A,C]+\mu[B,C] -\\ -[A,\lambda B+\mu C] -&= -\lambda AB + \mu AC - \lambda BA - \mu CA -= -\lambda[A,B]+\mu[A,C] -\\ -[A,B] -&= -AB-BA = -(BA-AB) = -[B,A]. -\end{align*} -Aus der letzten Bedingung folgt insbesodnere $[A,A]=0$ - -Der Kommutator $[A,B]$ misst in niedrigster Ordnung den Unterschied -zwischen den $e^{At}$ und $e^{Bt}$. -Der Kommutator der Tangentialvektoren $A$ und $B$ bildet also die -Nichtkommutativität der Matrizen $e^{At}$ und $e^{Bt}$ ab. - - -\subsubsection{Die Jacobi-Identität} -Der Kommutator hat die folgende zusätzliche algebraische Eigenschaft: -\begin{align*} -[A,[B,C]] -+ -[B,[C,A]] -+ -[C,[A,B]] -&= -[A,BC-CB] -+ -[B,CA-AC] -+ -[C,AB-BA] -\\ -&=\phantom{+} -ABC-ACB-BCA+CBA -\\ -&\phantom{=}+ -BCA-BAC-CAB+ACB -\\ -&\phantom{=}+ -CAB-CBA-ABC+BAC -\\ -&=0. -\end{align*} -Diese Eigenschaft findet man auch bei anderen Strukturen, zum Beispiel -bei Vektorfeldern, die man als Differentialoperatoren auf Funktionen -betrachten kann. -Man kann dann einen Kommutator $[X,Y]$ für zwei Vektorfelder -$X$ und $Y$ definieren. -Dieser Kommutator von Vektorfeldern erfüllt ebenfalls die gleiche -Identität. - -\begin{definition} -\label{buch:gruppen:def:jacobi} -Ein bilineares Produkt $[\;,\;]\colon V\times V\to V$ auf dem Vektorraum -erfüllt die {\em Jacobi-Identität}, wenn -\[ -[u,[v,w]] + [v,[w,u]] + [w,[u,v]]=0 -\] -ist für beliebige Vektoren $u,v,w\in V$. -\end{definition} - -\subsubsection{Lie-Algebra} -Die Tangentialvektoren einer Lie-Gruppe tragen also mit dem Kommutator -eine zusätzliche Struktur, nämlich die Struktur einer Lie-Algebra. - -\begin{definition} -Ein Vektorraum $V$ mit einem bilinearen, Produkt -\[ -[\;,\;]\colon V\times V \to V : (u,v) \mapsto [u,v], -\] -welches zusätzlich die Jacobi-Identität~\ref{buch:gruppen:def:jacobi} -erfüllt, heisst eine {\em Lie-Algebra}. -\end{definition} - -Die Lie-Algebra einer Lie-Gruppe $G$ wird mit $LG$ bezeichnet. -$LG$ besteht aus den Tangentialvektoren im Punkt $I$. -Die Exponentialabbildung $\exp\colon LG\to G:A\mapsto e^A$ -ist eine differenzierbare Abbildung von $LG$ in die Gruppe $G$. -Insbesondere kann die Inverse der Exponentialabbildung als eine -Karte in einer Umgebung von $I$ verwendet werden. - -Für die Lie-Algebren der Matrizengruppen, die früher definiert worden -sind, verwenden wir die als Notationskonvention, dass der Name der -Lie-Algebra der mit kleinen Buchstaben geschrieben Name der Lie-Gruppe ist. -Die Lie-Algebra von $\operatorname{SO}(n)$ ist also -$L\operatorname{SO}(n) = \operatorname{os}(n)$, -die Lie-Algebra von $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ ist -$L\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})=\operatorname{sl}_n(\mathbb{R})$. - - -% -% Die Lie-Algebra von SO(3) -% -\subsection{Die Lie-Algebra von $\operatorname{SO}(3)$ -\label{buch:subsection:die-lie-algebra-von-so3}} -Zur Gruppe $\operatorname{SO}(3)$ der Drehmatrizen gehört die Lie-Algebra -$\operatorname{so}(3)$ der antisymmetrischen $3\times 3$-Matrizen. -Solche Matrizen haben die Form -\[ -\Omega -= -\begin{pmatrix} - 0 & \omega_3&-\omega_2\\ --\omega_3& 0 & \omega_1\\ - \omega_2&-\omega_1& 0 -\end{pmatrix} -\] -Der Vektorraum $\operatorname{so}(3)$ ist also dreidimensional. - -Die Wirkung von $I+t\Omega$ auf einem Vektor $x$ ist -\[ -(I+t\Omega) -\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{pmatrix} -= -\begin{pmatrix} - 1 & t\omega_3&-t\omega_2\\ --t\omega_3& 1 & t\omega_1\\ - t\omega_2&-t\omega_1& 1 -\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{pmatrix} -= -\begin{pmatrix} -x_1-t(-\omega_3x_2+\omega_2x_3)\\ -x_2-t( \omega_3x_1-\omega_1x_3)\\ -x_3-t(-\omega_2x_1+\omega_1x_2) -\end{pmatrix} -= -x- t\begin{pmatrix}\omega_1\\\omega_2\\\omega_3\end{pmatrix}\times x -= -x+ tx\times \omega. -\] -Die Matrix $\Omega$ ist als die infinitesimale Version einer Drehung -um die Achse $\omega$. - -Wir können die Analogie zwischen Matrizen in $\operatorname{so}(3)$ und -Vektoren in $\mathbb R^3$ noch etwas weiter treiben. Zu jedem Vektor -in $\mathbb R^3$ konstruieren wir eine Matrix in $\operatorname{so}(3)$ -mit Hilfe der Abbildung -\[ -\mathbb R^3\to\operatorname{so}(3) -: -\begin{pmatrix}v_1\\v_2\\v_3\end{pmatrix} -\mapsto -\begin{pmatrix} - 0 & v_3&-v_1\\ --v_3& 0 & v_2\\ - v_1&-v_2& 0 -\end{pmatrix}. -\] -Der Kommutator von zwei so aus Vektoren $\vec u$ und $\vec v$ -konstruierten Matrizen $U$ und $V$ ist: -\begin{align*} -[U,V] -&= -UV-VU -\\ -&= -\begin{pmatrix} - 0 & u_3&-u_1\\ --u_3& 0 & u_2\\ - u_1&-u_2& 0 -\end{pmatrix} -\begin{pmatrix} - 0 & v_3&-v_1\\ --v_3& 0 & v_2\\ - v_1&-v_2& 0 -\end{pmatrix} -- -\begin{pmatrix} - 0 & v_3&-v_1\\ --v_3& 0 & v_2\\ - v_1&-v_2& 0 -\end{pmatrix} -\begin{pmatrix} - 0 & u_3&-u_1\\ --u_3& 0 & u_2\\ - u_1&-u_2& 0 -\end{pmatrix} -\\ -&= -\begin{pmatrix} -u_3v_3+u_1v_1 - u_3v_3 - u_1v_1 - & u_1v_2 - u_2v_1 - & u_3v_2 - u_2v_3 -\\ -u_2v_1 - u_1v_2 - & -u_3v_3-u_2v_2 + u_3v_3+u_2v_2 - & u_3v_1 - u_1v_3 -\\ -u_2v_3 - u_3v_2 - & u_1v_3 - u_3v_1 - &-u_1v_1-u_2v_2 u_1v_1+u_2v_2 -\end{pmatrix} -\\ -&= -\begin{pmatrix} -0 - & u_1v_2 - u_2v_1 - &-(u_2v_3-u_3v_2) -\\ --( u_1v_2 - u_2v_1) - & 0 - & u_3v_1 - u_1v_3 -\\ -u_2v_3 - u_3v_2 - &-( u_3v_1 - u_1v_3) - & 0 -\end{pmatrix} -\end{align*} -Die Matrix $[U,V]$ gehört zum Vektor $\vec u\times\vec v$. -Damit können wir aus der Jacobi-Identität jetzt folgern, dass -\[ -\vec u\times(\vec v\times w) -+ -\vec v\times(\vec w\times u) -+ -\vec w\times(\vec u\times v) -=0 -\] -für drei beliebige Vektoren $\vec u$, $\vec v$ und $\vec w$ ist. -Dies bedeutet, dass der dreidimensionale Vektorraum $\mathbb R^3$ -mit dem Vektorprodukt zu einer Lie-Algebra wird. -In der Tat verwenden einige Bücher statt der vertrauten Notation -$\vec u\times \vec v$ für das Vektorprodukt die aus der Theorie der -Lie-Algebren entlehnte Notation $[\vec u,\vec v]$, zum Beispiel -das Lehrbuch der Theoretischen Physik \cite{skript:landaulifschitz1} -von Landau und Lifschitz. - -Die Lie-Algebren sind vollständig klassifiziert worden, es gibt -keine nicht trivialen zweidimensionalen Lie-Algebren. -Unser dreidimensionaler Raum ist also auch in dieser Hinsicht speziell: -es ist der kleinste Vektorraum, in dem eine nichttriviale Lie-Algebra-Struktur -möglich ist. - -Die antisymmetrischen Matrizen -\[ -\omega_{23} -= -\begin{pmatrix} 0&1&0\\-1&0&0\\0&0&0\end{pmatrix} -\quad -\omega_{31} -= -\begin{pmatrix} 0&0&-1\\0&0&0\\1&0&0\end{pmatrix} -\quad -\omega_{12} -= -\begin{pmatrix} 0&0&0\\0&0&1\\0&-1&0\end{pmatrix} -\] -haben die Kommutatoren -\begin{equation} -\begin{aligned} -[\omega_{23},\omega_{31}] -&= -\begin{pmatrix} -0&0&0\\ -0&0&1\\ -0&-1&0 -\end{pmatrix} -= -\omega_{12} -\\ -[\omega_{31},\omega_{12}] -&= -\begin{pmatrix} -0&1&0\\ --1&0&0\\ -0&0&0 -\end{pmatrix} -= -\omega_{23} -\\ -[\omega_{12},\omega_{23}] -&= -\begin{pmatrix} -0&0&-1\\ -0&0&0\\ -1&0&0 -\end{pmatrix} -= -\omega_{31} -\end{aligned} -\label{buch:gruppen:eqn:so3-kommutatoren} -\end{equation} - -\subsection{Die Lie-Algebra von $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$} -Die Lie-Algebra von $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ besteht aus den -spurlosen Matrizen in $M_n(\mathbb{R})$. -Der Kommutator solcher Matrizen erfüllt -\[ -\operatorname{Spur}([A,B]) -= -\operatorname{Spur}(AB-BA) -= -\operatorname{Spur}(AB)-\operatorname{Spur}(BA) -= -0, -\] -somit ist -\[ -\operatorname{sl}_n(\mathbb{R}) -= -\{ -A\in M_n(\mathbb{R})\;|\; \operatorname{Spur}(A)=0 -\} -\] -mit dem Kommutator eine Lie-Algebra. - -% -% Die Lie-Algebra von U(n) -% -\subsection{Die Lie-Algebra von $\operatorname{U}(n)$} -Die Lie-Gruppe -\[ -U(n) -= -\{ -A\in M_n(\mathbb{C} -\;|\; -AA^*=I -\} -\] -heisst die unitäre Gruppe, sie besteht aus den Matrizen, die -das sesquilineare Standardskalarprodukt auf dem komplexen -Vektorraum $\mathbb{C}^n$ invariant lassen. -Sei eine $\gamma(t)$ ein differenzierbare Kurve in $\operatorname{U}(n)$ -derart, dass $\gamma(0)=I$. -Die Ableitung der Identität $AA^*=I$ führt dann auf -\begin{align*} -0 -= -\frac{d}{dt} -\gamma(t)\gamma(t)^* -\bigg|_{t=0} -= -\dot{\gamma}(0)\gamma(0)^* -+ -\gamma(0)\dot{\gamma}(0)^* -= -\dot{\gamma}(0) -+ -\dot{\gamma}(0)^* -\quad\Rightarrow\quad -\dot{\gamma}(0)&=-\dot{\gamma}(0)^*. -A&=-A^* -\end{align*} -Die Lie-Algebra $\operatorname{u}(n)$ besteht daher aus den antihermiteschen -Matrizen. - -Wir sollten noch verifizieren, dass der Kommutator zweier antihermiteschen -Matrizen wieder anithermitesch ist: -\begin{align*} -[A,B]^* -&= -(AB-BA)^* -= -B^*A^*-A^*B^* -= -BA - AB -= --[B,A]. -\end{align*} - -Eine antihermitesche Matrix erfüllt $a_{ij}=-\overline{a}_{ji}$, -für die Diagonalelemente folgt daher $a_{ii} = -\overline{a}_{ii}$ -oder $\overline{a}_{ii}=-a_{ii}$. -Der Realteil von $a_{ii}$ ist -\[ -\Re a_{ii} -= -\frac{a_{ii}+\overline{a}_{ii}}2 -= -0, -\] -die Diagonalelemente einer antihermiteschen Matrix sind daher rein -imaginär. - - -% -% Die Lie-Algebra SU(2) -% -\subsection{Die Lie-Algebra von $\operatorname{SU}(2)$} -Die Lie-Algebra $\operatorname{su}(n)$ besteht aus den -spurlosen antihermiteschen Matrizen. -Sie erfüllen daher die folgenden Bedingungen: -\[ -A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix} -\qquad -\text{mit} -\qquad -\left\{ -\begin{aligned} -a+d&=0&&\Rightarrow& a=is = -d -\\ -b^*&=-c -\end{aligned} -\right. -\] -Damit hat $A$ die Form -\begin{align*} -A=\begin{pmatrix} -is&u+iv\\ --u+iv&-is -\end{pmatrix} -&= -s -\begin{pmatrix} -i&0\\ -0&-i -\end{pmatrix} -+ -u -\begin{pmatrix} - 0&1\\ --1&0 -\end{pmatrix} -+ -v -\begin{pmatrix} -0&i\\ -i&0 -\end{pmatrix} -\\ -&= -iv\underbrace{\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}_{\displaystyle=\sigma_1} -+ -iu\underbrace{\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}}_{\displaystyle=\sigma_2} -+ -is\underbrace{\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}_{\displaystyle=\sigma_3} -\end{align*} -Diese Matrizen heissen die {\em Pauli-Matrizen}, sie haben die Kommutatoren -\begin{align*} -[\sigma_1,\sigma_2] -&= -\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix} -- -\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} -= -2\begin{pmatrix}i&0\\0&-i \end{pmatrix} -= -2i\sigma_3, -\\ -[\sigma_2,\sigma_3] -&= -\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix} -- -\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix} -= -2 -\begin{pmatrix}0&i\\i&0\end{pmatrix} -= -2i\sigma_1. -\\ -[\sigma_1,\sigma_3] -&= -\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix} -- -\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} -= -2i -\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix} -= -2i\sigma_2, -\end{align*} -Bis auf eine Skalierung stimmt dies überein mit den Kommutatorprodukten -der Matrizen $\omega_{23}$, $\omega_{31}$ und $\omega_{12}$ -in \eqref{buch:gruppen:eqn:so3-kommutatoren}. -Die Matrizen $-\frac12i\sigma_j$ haben die Kommutatorprodukte -\begin{align*} -\bigl[-{\textstyle\frac12}i\sigma_1,-{\textstyle\frac12}i\sigma_2\bigr] -&= --{\textstyle\frac14}[\sigma_1,\sigma_2] -= --{\textstyle\frac14}\cdot 2i\sigma_3 -= --{\textstyle\frac12}i\sigma_3 -\\ -\bigl[-{\textstyle\frac12}i\sigma_2,-{\textstyle\frac12}i\sigma_3\bigr] -&= --{\textstyle\frac14}[\sigma_2,\sigma_3] -= --{\textstyle\frac14}\cdot 2i\sigma_1 -= --{\textstyle\frac12}i\sigma_1 -\\ -\bigl[-{\textstyle\frac12}i\sigma_3,-{\textstyle\frac12}i\sigma_1\bigr] -&= --{\textstyle\frac14}[\sigma_3,\sigma_1] -= --{\textstyle\frac14}\cdot 2i\sigma_2 -= --{\textstyle\frac12}i\sigma_2 -\end{align*} -Die lineare Abbildung, die -\begin{align*} -\omega_{23}&\mapsto -{\textstyle\frac12}i\sigma_1\\ -\omega_{31}&\mapsto -{\textstyle\frac12}i\sigma_2\\ -\omega_{12}&\mapsto -{\textstyle\frac12}i\sigma_3 -\end{align*} -abbildet ist daher ein Isomorphismus der Lie-Algebra $\operatorname{so}(3)$ -auf die Lie-Algebra $\operatorname{su}(2)$. -Die Lie-Gruppen $\operatorname{SO}(3)$ und $\operatorname{SU}(2)$ -haben also die gleiche Lie-Algebra. - -Tatsächlich kann man Hilfe von Quaternionen die Matrix $\operatorname{SU}(2)$ -als Einheitsquaternionen beschreiben und damit eine Darstellung der -Drehmatrizen in $\operatorname{SO}(3)$ finden. -Dies wird in Kapitel~\ref{chapter:clifford} dargestellt. - - - - - +%
+% lie-algebren.tex -- Lie-Algebren
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+% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
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+\section{Lie-Algebren
+\label{buch:section:lie-algebren}}
+\rhead{Lie-Algebren}
+Im vorangegangenen Abschnitt wurde gezeigt, dass alle beschriebenen
+Matrizengruppen als Untermannigfaltigkeiten im $n^2$-dimensionalen
+Vektorraum $M_n(\mathbb{R}9$ betrachtet werden können.
+Die Gruppen haben damit nicht nur die algebraische Struktur einer
+Matrixgruppe, sie haben auch die geometrische Struktur einer
+Mannigfaltigkeit.
+Insbesondere ist es sinnvoll, von Ableitungen zu sprechen.
+
+Eindimensionale Untergruppen einer Gruppe können auch als Kurven
+innerhalb der Gruppe angesehen werden.
+In diesem Abschnitt soll gezeigt werden, wie man zu jeder eindimensionalen
+Untergruppe einen Vektor in $M_n(\mathbb{R})$ finden kann derart, dass
+der Vektor als Tangentialvektor an diese Kurve gelten kann.
+Aus einer Abbildung zwischen der Gruppe und diesen Tagentialvektoren
+erhält man dann auch eine algebraische Struktur auf diesen Tangentialvektoren,
+die sogenannte Lie-Algebra.
+Sie ist charakteristisch für die Gruppe.
+Insbesondere werden wir sehen, wie die Gruppen $\operatorname{SO}(3)$
+und $\operatorname{SU}(2)$ die gleich Lie-Algebra haben und dass die
+Lie-Algebra von $\operatorname{SO}(3)$ mit dem Vektorprodukt in $\mathbb{R}^3$
+übereinstimmt.
+
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+% Die Lie-Algebra einer Matrizengruppe
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+\subsection{Lie-Algebra einer Matrizengruppe
+\label{buch:section:lie-algebra-einer-matrizengruppe}}
+Zu jedem Tangentialvektor $A$ im Punkt $I$ einer Matrizengruppe gibt es
+eine Einparameteruntergruppe, die mit Hilfe der Exponentialfunktion
+$e^{At}$ konstruiert werden kann.
+Für die folgende Konstruktion arbeiten wir in der Gruppe
+$\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$, in der jede Matrix auch ein
+Tangentialvektor ist.
+Wir werden daraus die Lie-Klammer ableiten und später verifizieren,
+dass diese auch für die Tangentialvektoren der Gruppen
+$\operatorname{SO}(n)$ oder $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ funktioniert.
+
+\subsubsection{Lie-Klammer}
+Zu zwei verschiedenen Tagentialvektoren $A\in M_n(\mathbb{R})$ und
+$B\in M_n(\mathbb{R})$ gibt es zwei verschiedene Einparameteruntergruppen
+$e^{At}$ und $e^{Bt}$.
+Wenn die Matrizen $A$ und $B$ oder die Einparameteruntergruppen
+$e^{At}$ und $e^{Bt}$ vertauschbar sind, dann stimmen
+$e^{At}e^{Bt}$ und $e^{Bt}e^{At}$ nicht überein.
+Die zugehörigen Potenzreihen sind:
+\begin{align*}
+e^{At}
+&=
+I+At + \frac{A^2t^2}{2!} + \frac{A^3t^3}{3!} + \dots
+\\
+e^{Bt}
+&=
+I+Bt + \frac{B^2t^2}{2!} + \frac{B^3t^3}{3!} + \dots
+\\
+e^{At}e^{Bt}
+&=
+\biggl(I+At + \frac{A^2t^2}{2!} + \dots\biggr)
+\biggl(I+Bt + \frac{B^2t^2}{2!} + \dots\biggr)
+\\
+&=
+I+(A+B)t + \biggl(\frac{A^2}{2!}+AB+\frac{B^2}{2!}\biggr)t^2 +\dots
+\\
+e^{Bt}e^{At}
+&=
+\biggl(I+Bt + \frac{B^2t^2}{2!} + \dots\biggr)
+\biggl(I+At + \frac{A^2t^2}{2!} + \dots\biggr)
+\\
+&=
+I+(B+A)t + \biggl(\frac{B^2}{2!}+BA+\frac{A^2}{2!}\biggr)t^2 +\dots
+\intertext{%
+Die beiden Kurven $e^{At}e^{Bt}$ und $e^{Bt}e^{At}$ haben zwar den gleichen
+Tangentialvektor für $t=0$, sie unterscheiden
+sich aber untereinander, und sie unterscheiden sich von der
+Einparameteruntergruppe von $A+B$}
+e^{(A+B)t}
+&=
+I + (A+B)t + \frac{t^2}{2}(A^2 + AB + BA + B^2) + \ldots
+\intertext{Für die Unterschiede finden wir}
+e^{At}e^{Bt} - e^{(A+B)t}
+&=
+\biggl(AB-\frac{AB+BA}2\biggr)t^2
++\ldots
+=
+(AB-BA) \frac{t^2}{2} + \ldots
+=
+[A,B]\frac{t^2}{2}+\ldots
+\\
+e^{Bt}e^{At} - e^{(A+B)t}
+&=
+\biggl(BA-\frac{AB+BA}2\biggr)t^2
++\ldots
+=
+(BA-AB)
+\frac{t^2}{2}
++\ldots
+=
+-[A,B]\frac{t^2}{2}
+\\
+e^{At}e^{Bt}-e^{Bt}e^{At}
+&=
+(AB-BA)t^2+\ldots
+=
+\phantom{-}[A,B]t^2+\ldots
+\end{align*}
+wobei mit $[A,B]=AB-BA$ abgekürzt wird.
+
+\begin{definition}
+\label{buch:gruppen:def:kommutator}
+Der Kommutator zweier Matrizen $A,B\in M_n(\mathbb{R})$ ist die Matrix
+$[A,B]=AB-BA$.
+\end{definition}
+
+Der Kommutator ist bilinear und antisymmetrisch, da
+\begin{align*}
+[\lambda A+\mu B,C]
+&=
+\lambda AC+\mu BC-\lambda CA -\mu CB
+=
+\lambda[A,C]+\mu[B,C]
+\\
+[A,\lambda B+\mu C]
+&=
+\lambda AB + \mu AC - \lambda BA - \mu CA
+=
+\lambda[A,B]+\mu[A,C]
+\\
+[A,B]
+&=
+AB-BA = -(BA-AB) = -[B,A].
+\end{align*}
+Aus der letzten Bedingung folgt insbesodnere $[A,A]=0$
+
+Der Kommutator $[A,B]$ misst in niedrigster Ordnung den Unterschied
+zwischen den $e^{At}$ und $e^{Bt}$.
+Der Kommutator der Tangentialvektoren $A$ und $B$ bildet also die
+Nichtkommutativität der Matrizen $e^{At}$ und $e^{Bt}$ ab.
+
+
+\subsubsection{Die Jacobi-Identität}
+Der Kommutator hat die folgende zusätzliche algebraische Eigenschaft:
+\begin{align*}
+[A,[B,C]]
++
+[B,[C,A]]
++
+[C,[A,B]]
+&=
+[A,BC-CB]
++
+[B,CA-AC]
++
+[C,AB-BA]
+\\
+&=\phantom{+}
+ABC-ACB-BCA+CBA
+\\
+&\phantom{=}+
+BCA-BAC-CAB+ACB
+\\
+&\phantom{=}+
+CAB-CBA-ABC+BAC
+\\
+&=0.
+\end{align*}
+Diese Eigenschaft findet man auch bei anderen Strukturen, zum Beispiel
+bei Vektorfeldern, die man als Differentialoperatoren auf Funktionen
+betrachten kann.
+Man kann dann einen Kommutator $[X,Y]$ für zwei Vektorfelder
+$X$ und $Y$ definieren.
+Dieser Kommutator von Vektorfeldern erfüllt ebenfalls die gleiche
+Identität.
+
+\begin{definition}
+\label{buch:gruppen:def:jacobi}
+Ein bilineares Produkt $[\;,\;]\colon V\times V\to V$ auf dem Vektorraum
+erfüllt die {\em Jacobi-Identität}, wenn
+\[
+[u,[v,w]] + [v,[w,u]] + [w,[u,v]]=0
+\]
+ist für beliebige Vektoren $u,v,w\in V$.
+\end{definition}
+
+\subsubsection{Lie-Algebra}
+Die Tangentialvektoren einer Lie-Gruppe tragen also mit dem Kommutator
+eine zusätzliche Struktur, nämlich die Struktur einer Lie-Algebra.
+
+\begin{definition}
+Ein Vektorraum $V$ mit einem bilinearen, Produkt
+\[
+[\;,\;]\colon V\times V \to V : (u,v) \mapsto [u,v],
+\]
+welches zusätzlich die Jacobi-Identität~\ref{buch:gruppen:def:jacobi}
+erfüllt, heisst eine {\em Lie-Algebra}.
+\end{definition}
+
+Die Lie-Algebra einer Lie-Gruppe $G$ wird mit $LG$ bezeichnet.
+$LG$ besteht aus den Tangentialvektoren im Punkt $I$.
+Die Exponentialabbildung $\exp\colon LG\to G:A\mapsto e^A$
+ist eine differenzierbare Abbildung von $LG$ in die Gruppe $G$.
+Insbesondere kann die Inverse der Exponentialabbildung als eine
+Karte in einer Umgebung von $I$ verwendet werden.
+
+Für die Lie-Algebren der Matrizengruppen, die früher definiert worden
+sind, verwenden wir die als Notationskonvention, dass der Name der
+Lie-Algebra der mit kleinen Buchstaben geschrieben Name der Lie-Gruppe ist.
+Die Lie-Algebra von $\operatorname{SO}(n)$ ist also
+$L\operatorname{SO}(n) = \operatorname{os}(n)$,
+die Lie-Algebra von $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ ist
+$L\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})=\operatorname{sl}_n(\mathbb{R})$.
+
+
+%
+% Die Lie-Algebra von SO(3)
+%
+\subsection{Die Lie-Algebra von $\operatorname{SO}(3)$
+\label{buch:subsection:die-lie-algebra-von-so3}}
+Zur Gruppe $\operatorname{SO}(3)$ der Drehmatrizen gehört die Lie-Algebra
+$\operatorname{so}(3)$ der antisymmetrischen $3\times 3$-Matrizen.
+Solche Matrizen haben die Form
+\[
+\Omega
+=
+\begin{pmatrix}
+ 0 & \omega_3&-\omega_2\\
+-\omega_3& 0 & \omega_1\\
+ \omega_2&-\omega_1& 0
+\end{pmatrix}
+\]
+Der Vektorraum $\operatorname{so}(3)$ ist also dreidimensional.
+
+Die Wirkung von $I+t\Omega$ auf einem Vektor $x$ ist
+\[
+(I+t\Omega)
+\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+ 1 & t\omega_3&-t\omega_2\\
+-t\omega_3& 1 & t\omega_1\\
+ t\omega_2&-t\omega_1& 1
+\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+x_1-t(-\omega_3x_2+\omega_2x_3)\\
+x_2-t( \omega_3x_1-\omega_1x_3)\\
+x_3-t(-\omega_2x_1+\omega_1x_2)
+\end{pmatrix}
+=
+x- t\begin{pmatrix}\omega_1\\\omega_2\\\omega_3\end{pmatrix}\times x
+=
+x+ tx\times \omega.
+\]
+Die Matrix $\Omega$ ist als die infinitesimale Version einer Drehung
+um die Achse $\omega$.
+
+Wir können die Analogie zwischen Matrizen in $\operatorname{so}(3)$ und
+Vektoren in $\mathbb R^3$ noch etwas weiter treiben. Zu jedem Vektor
+in $\mathbb R^3$ konstruieren wir eine Matrix in $\operatorname{so}(3)$
+mit Hilfe der Abbildung
+\[
+\mathbb R^3\to\operatorname{so}(3)
+:
+\begin{pmatrix}v_1\\v_2\\v_3\end{pmatrix}
+\mapsto
+\begin{pmatrix}
+ 0 & v_3&-v_1\\
+-v_3& 0 & v_2\\
+ v_1&-v_2& 0
+\end{pmatrix}.
+\]
+Der Kommutator von zwei so aus Vektoren $\vec u$ und $\vec v$
+konstruierten Matrizen $U$ und $V$ ist:
+\begin{align*}
+[U,V]
+&=
+UV-VU
+\\
+&=
+\begin{pmatrix}
+ 0 & u_3&-u_1\\
+-u_3& 0 & u_2\\
+ u_1&-u_2& 0
+\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}
+ 0 & v_3&-v_1\\
+-v_3& 0 & v_2\\
+ v_1&-v_2& 0
+\end{pmatrix}
+-
+\begin{pmatrix}
+ 0 & v_3&-v_1\\
+-v_3& 0 & v_2\\
+ v_1&-v_2& 0
+\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}
+ 0 & u_3&-u_1\\
+-u_3& 0 & u_2\\
+ u_1&-u_2& 0
+\end{pmatrix}
+\\
+&=
+\begin{pmatrix}
+u_3v_3+u_1v_1 - u_3v_3 - u_1v_1
+ & u_1v_2 - u_2v_1
+ & u_3v_2 - u_2v_3
+\\
+u_2v_1 - u_1v_2
+ & -u_3v_3-u_2v_2 + u_3v_3+u_2v_2
+ & u_3v_1 - u_1v_3
+\\
+u_2v_3 - u_3v_2
+ & u_1v_3 - u_3v_1
+ &-u_1v_1-u_2v_2 u_1v_1+u_2v_2
+\end{pmatrix}
+\\
+&=
+\begin{pmatrix}
+0
+ & u_1v_2 - u_2v_1
+ &-(u_2v_3-u_3v_2)
+\\
+-( u_1v_2 - u_2v_1)
+ & 0
+ & u_3v_1 - u_1v_3
+\\
+u_2v_3 - u_3v_2
+ &-( u_3v_1 - u_1v_3)
+ & 0
+\end{pmatrix}
+\end{align*}
+Die Matrix $[U,V]$ gehört zum Vektor $\vec u\times\vec v$.
+Damit können wir aus der Jacobi-Identität jetzt folgern, dass
+\[
+\vec u\times(\vec v\times w)
++
+\vec v\times(\vec w\times u)
++
+\vec w\times(\vec u\times v)
+=0
+\]
+für drei beliebige Vektoren $\vec u$, $\vec v$ und $\vec w$ ist.
+Dies bedeutet, dass der dreidimensionale Vektorraum $\mathbb R^3$
+mit dem Vektorprodukt zu einer Lie-Algebra wird.
+In der Tat verwenden einige Bücher statt der vertrauten Notation
+$\vec u\times \vec v$ für das Vektorprodukt die aus der Theorie der
+Lie-Algebren entlehnte Notation $[\vec u,\vec v]$, zum Beispiel
+das Lehrbuch der Theoretischen Physik \cite{skript:landaulifschitz1}
+von Landau und Lifschitz.
+
+Die Lie-Algebren sind vollständig klassifiziert worden, es gibt
+keine nicht trivialen zweidimensionalen Lie-Algebren.
+Unser dreidimensionaler Raum ist also auch in dieser Hinsicht speziell:
+es ist der kleinste Vektorraum, in dem eine nichttriviale Lie-Algebra-Struktur
+möglich ist.
+
+Die antisymmetrischen Matrizen
+\[
+\omega_{23}
+=
+\begin{pmatrix} 0&1&0\\-1&0&0\\0&0&0\end{pmatrix}
+\quad
+\omega_{31}
+=
+\begin{pmatrix} 0&0&-1\\0&0&0\\1&0&0\end{pmatrix}
+\quad
+\omega_{12}
+=
+\begin{pmatrix} 0&0&0\\0&0&1\\0&-1&0\end{pmatrix}
+\]
+haben die Kommutatoren
+\begin{equation}
+\begin{aligned}
+[\omega_{23},\omega_{31}]
+&=
+\begin{pmatrix}
+0&0&0\\
+0&0&1\\
+0&-1&0
+\end{pmatrix}
+=
+\omega_{12}
+\\
+[\omega_{31},\omega_{12}]
+&=
+\begin{pmatrix}
+0&1&0\\
+-1&0&0\\
+0&0&0
+\end{pmatrix}
+=
+\omega_{23}
+\\
+[\omega_{12},\omega_{23}]
+&=
+\begin{pmatrix}
+0&0&-1\\
+0&0&0\\
+1&0&0
+\end{pmatrix}
+=
+\omega_{31}
+\end{aligned}
+\label{buch:gruppen:eqn:so3-kommutatoren}
+\end{equation}
+
+\subsection{Die Lie-Algebra von $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$}
+Die Lie-Algebra von $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ besteht aus den
+spurlosen Matrizen in $M_n(\mathbb{R})$.
+Der Kommutator solcher Matrizen erfüllt
+\[
+\operatorname{Spur}([A,B])
+=
+\operatorname{Spur}(AB-BA)
+=
+\operatorname{Spur}(AB)-\operatorname{Spur}(BA)
+=
+0,
+\]
+somit ist
+\[
+\operatorname{sl}_n(\mathbb{R})
+=
+\{
+A\in M_n(\mathbb{R})\;|\; \operatorname{Spur}(A)=0
+\}
+\]
+mit dem Kommutator eine Lie-Algebra.
+
+%
+% Die Lie-Algebra von U(n)
+%
+\subsection{Die Lie-Algebra von $\operatorname{U}(n)$}
+Die Lie-Gruppe
+\[
+U(n)
+=
+\{
+A\in M_n(\mathbb{C}
+\;|\;
+AA^*=I
+\}
+\]
+heisst die unitäre Gruppe, sie besteht aus den Matrizen, die
+das sesquilineare Standardskalarprodukt auf dem komplexen
+Vektorraum $\mathbb{C}^n$ invariant lassen.
+Sei eine $\gamma(t)$ ein differenzierbare Kurve in $\operatorname{U}(n)$
+derart, dass $\gamma(0)=I$.
+Die Ableitung der Identität $AA^*=I$ führt dann auf
+\begin{align*}
+0
+=
+\frac{d}{dt}
+\gamma(t)\gamma(t)^*
+\bigg|_{t=0}
+=
+\dot{\gamma}(0)\gamma(0)^*
++
+\gamma(0)\dot{\gamma}(0)^*
+=
+\dot{\gamma}(0)
++
+\dot{\gamma}(0)^*
+\quad\Rightarrow\quad
+\dot{\gamma}(0)&=-\dot{\gamma}(0)^*.
+A&=-A^*
+\end{align*}
+Die Lie-Algebra $\operatorname{u}(n)$ besteht daher aus den antihermiteschen
+Matrizen.
+
+Wir sollten noch verifizieren, dass der Kommutator zweier antihermiteschen
+Matrizen wieder anithermitesch ist:
+\begin{align*}
+[A,B]^*
+&=
+(AB-BA)^*
+=
+B^*A^*-A^*B^*
+=
+BA - AB
+=
+-[B,A].
+\end{align*}
+
+Eine antihermitesche Matrix erfüllt $a_{ij}=-\overline{a}_{ji}$,
+für die Diagonalelemente folgt daher $a_{ii} = -\overline{a}_{ii}$
+oder $\overline{a}_{ii}=-a_{ii}$.
+Der Realteil von $a_{ii}$ ist
+\[
+\Re a_{ii}
+=
+\frac{a_{ii}+\overline{a}_{ii}}2
+=
+0,
+\]
+die Diagonalelemente einer antihermiteschen Matrix sind daher rein
+imaginär.
+
+
+%
+% Die Lie-Algebra SU(2)
+%
+\subsection{Die Lie-Algebra von $\operatorname{SU}(2)$}
+Die Lie-Algebra $\operatorname{su}(n)$ besteht aus den
+spurlosen antihermiteschen Matrizen.
+Sie erfüllen daher die folgenden Bedingungen:
+\[
+A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}
+\qquad
+\text{mit}
+\qquad
+\left\{
+\begin{aligned}
+a+d&=0&&\Rightarrow& a=is = -d
+\\
+b^*&=-c
+\end{aligned}
+\right.
+\]
+Damit hat $A$ die Form
+\begin{align*}
+A=\begin{pmatrix}
+is&u+iv\\
+-u+iv&-is
+\end{pmatrix}
+&=
+s
+\begin{pmatrix}
+i&0\\
+0&-i
+\end{pmatrix}
++
+u
+\begin{pmatrix}
+ 0&1\\
+-1&0
+\end{pmatrix}
++
+v
+\begin{pmatrix}
+0&i\\
+i&0
+\end{pmatrix}
+\\
+&=
+iv\underbrace{\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}_{\displaystyle=\sigma_1}
++
+iu\underbrace{\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}}_{\displaystyle=\sigma_2}
++
+is\underbrace{\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}_{\displaystyle=\sigma_3}
+\end{align*}
+Diese Matrizen heissen die {\em Pauli-Matrizen}, sie haben die Kommutatoren
+\begin{align*}
+[\sigma_1,\sigma_2]
+&=
+\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}
+-
+\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}
+=
+2\begin{pmatrix}i&0\\0&-i \end{pmatrix}
+=
+2i\sigma_3,
+\\
+[\sigma_2,\sigma_3]
+&=
+\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}
+-
+\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}
+=
+2
+\begin{pmatrix}0&i\\i&0\end{pmatrix}
+=
+2i\sigma_1.
+\\
+[\sigma_1,\sigma_3]
+&=
+\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}
+-
+\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}
+=
+2i
+\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}
+=
+2i\sigma_2,
+\end{align*}
+Bis auf eine Skalierung stimmt dies überein mit den Kommutatorprodukten
+der Matrizen $\omega_{23}$, $\omega_{31}$ und $\omega_{12}$
+in \eqref{buch:gruppen:eqn:so3-kommutatoren}.
+Die Matrizen $-\frac12i\sigma_j$ haben die Kommutatorprodukte
+\begin{align*}
+\bigl[-{\textstyle\frac12}i\sigma_1,-{\textstyle\frac12}i\sigma_2\bigr]
+&=
+-{\textstyle\frac14}[\sigma_1,\sigma_2]
+=
+-{\textstyle\frac14}\cdot 2i\sigma_3
+=
+-{\textstyle\frac12}i\sigma_3
+\\
+\bigl[-{\textstyle\frac12}i\sigma_2,-{\textstyle\frac12}i\sigma_3\bigr]
+&=
+-{\textstyle\frac14}[\sigma_2,\sigma_3]
+=
+-{\textstyle\frac14}\cdot 2i\sigma_1
+=
+-{\textstyle\frac12}i\sigma_1
+\\
+\bigl[-{\textstyle\frac12}i\sigma_3,-{\textstyle\frac12}i\sigma_1\bigr]
+&=
+-{\textstyle\frac14}[\sigma_3,\sigma_1]
+=
+-{\textstyle\frac14}\cdot 2i\sigma_2
+=
+-{\textstyle\frac12}i\sigma_2
+\end{align*}
+Die lineare Abbildung, die
+\begin{align*}
+\omega_{23}&\mapsto -{\textstyle\frac12}i\sigma_1\\
+\omega_{31}&\mapsto -{\textstyle\frac12}i\sigma_2\\
+\omega_{12}&\mapsto -{\textstyle\frac12}i\sigma_3
+\end{align*}
+abbildet ist daher ein Isomorphismus der Lie-Algebra $\operatorname{so}(3)$
+auf die Lie-Algebra $\operatorname{su}(2)$.
+Die Lie-Gruppen $\operatorname{SO}(3)$ und $\operatorname{SU}(2)$
+haben also die gleiche Lie-Algebra.
+
+Tatsächlich kann man Hilfe von Quaternionen die Matrix $\operatorname{SU}(2)$
+als Einheitsquaternionen beschreiben und damit eine Darstellung der
+Drehmatrizen in $\operatorname{SO}(3)$ finden.
+Dies wird in Kapitel~\ref{chapter:clifford} dargestellt.
+
+
+
+
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