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diff --git a/buch/chapters/60-gruppen/lie-gruppen.tex b/buch/chapters/60-gruppen/lie-gruppen.tex index d6fc007..2c88b76 100644 --- a/buch/chapters/60-gruppen/lie-gruppen.tex +++ b/buch/chapters/60-gruppen/lie-gruppen.tex @@ -1,881 +1,881 @@ -% -% lie-gruppen.tex -- Lie-Gruppebn -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Lie-Gruppen -\label{buch:section:lie-gruppen}} -\rhead{Lie-Gruppen} -Die in bisherigen Beispielen untersuchten Matrizengruppen zeichnen sich -durch zusätzliche Eigenschaften aus. -Die Gruppe -\[ -\operatorname{GL}_n(\mathbb{R}) -= -\{ A \in M_n(\mathbb{R})\;|\; \det A \ne 0\} -\] -besteht aus den Matrizen, deren Determinante nicht $0$ ist. -Da die Menge der Matrizen mit $\det A=0$ eine abgeschlossene Menge -in $M_n(\mathbb{R}) \simeq \mathbb{R}^{n^2}$ ist, ist -$\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$ eine offene Teilmenge in $\mathbb{R}^{n^2}$, -sie besitzt also automatisch die Struktur einer $n^2$-Mannigfaltigkeit. -Dies gilt jedoch auch für alle anderen Matrizengruppen, die in diesem -Abschnitt genauer untersucht werden sollen. - -\subsection{Mannigfaltigkeitsstruktur der Matrizengruppen -\label{buch:subsection:mannigfaltigkeitsstruktur-der-matrizengruppen}} -Eine Matrizengruppe wird automatsich zu einer Mannigfaltigkeit, -wenn es gelingt, eine Karte für eine Umgebung des neutralen Elements -zu finden. -Dazu muss gezeigt werden, dass sich aus einer solchen Karte für jedes -andere Gruppenelement eine Karte für eine Umgebung ableiten lässt. -Sei also $\varphi_e\colon U_e\mathbb{R}^N$ eine Karte für die Umgebung -$U_e\subset G$ von $e\in G$. -Für $g\in G$ ist dann die Abbildung -\[ -\varphi_g -\colon -U_g -= -gU_e -\to -\mathbb{R} -: -h\mapsto \varphi_e(g^{-1}h) -\] -eine Karte für die Umgebung $U_g$ des Gruppenelementes $g$. -schreibt man $l_{g}$ für die Abbildung $h\mapsto gh$, dann -kann man die Kartenabbildung auch $\varphi_g = \varphi_e\circ l_{g^{-1}}$ -schreiben. - -\subsubsection{Kartenwechsel} -Die Kartenwechsel-Abbildungen für zwei Karten $\varphi_{g_1}$ -und $\varphi_{g_2}$ ist die Abbildung -\[ -\varphi_{g_1,g_2} -= -\varphi_{g_1}\circ \varphi_{g_2}^{-1} -= -\varphi_e\circ l_{g_1^{-1}} \circ (\varphi_e\circ l_{g_2^{-1}})^{-1} -= -\varphi_e\circ l_{g_1^{-1}} \circ l_{g_2^{-1}}^{-1} \varphi_e^{-1} -= -\varphi_e\circ l_{g_1^{-1}} \circ l_{g_2}\varphi_e^{-1} -= -\varphi_e\circ l_{g_1^{-1}g_2}\varphi_e^{-1} -\] -mit der Ableitung -\[ -D\varphi_e\circ Dl_{g_1^{-1}g_2} D\varphi_e^{-1} -= -D\varphi_e\circ Dl_{g_1^{-1}g_2} (D\varphi_e)^{-1}. -\] -Die Abbildung $l_{g_1^{-1}g_2}$ ist aber nur die Multiplikation mit -einer Matrix, also eine lineare Abbildung, so dass der Kartenwechsel -nichts anderes ist als die Darstellung der Matrix der Linksmultiplikation -$l_{g_1^{-1}g_2}$ im Koordinatensystem der Karte $U_e$ ist. -Differenzierbarkeit der Kartenwechsel ist damit sichergestellt, -die Matrizengruppen sind automatisch differenzierbare Mannigfaltigkeiten. - -Die Konstruktion aller Karten aus einer einzigen Karte für eine -Umgebung des neutralen Elements zeigt auch, dass es für die Matrizengruppen -reicht, wenn man die Elemente in einer Umgebung des neutralen -Elementes parametrisieren kann. -Dies ist jedoch nicht nur für die Matrizengruppen möglich. -Wenn eine Gruppe gleichzeitig eine differenzierbare Mannigfaltigkeit -ist, dann können Karten über die ganze Gruppe transportiert werden, -wenn die Multiplikation mit Gruppenelementen eine differenzierbare -Abbildung ist. -Solche Gruppen heissen auch Lie-Gruppen gemäss der folgenden Definition. - -\begin{definition} -\index{Lie-Gruppe}% -Eine {\em Lie-Gruppe} ist eine Gruppe, die gleichzeitig eine differenzierbare -Mannigfaltigkeit ist derart, dass die Abbildungen -\begin{align*} -G\times G \to G &: (g_1,g_2)\mapsto g_1g_2 -\\ -G\to G &: g \mapsto g^{-1} -\end{align*} -differenzierbare Abbildungen zwischen Mannigfaltigkeiten sind. -\end{definition} - -Die Abstraktheit dieser Definition täuscht etwas über die -Tatsache hinweg, dass sich mit Hilfe der Darstellungstheorie -jede beliebige Lie-Gruppe als Untermannigfaltigkeit einer -Matrizengruppe verstehen lässt. -Das Studium der Matrizengruppen erlaubt uns daher ohne grosse -Einschränkungen ein Verständnis für die Theorie der Lie-Gruppen -zu entwickeln. - -\subsubsection{Tangentialvektoren und die Exponentialabbildung} -Die Matrizengruppen sind alle in der -$n^2$-dimensionalen Mannigfaltigkeit $\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$ -enthalten. -Diffferenzierbare Kurven $\gamma(t)$ in $\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$ -haben daher in jedem Punkt Tangentialvektoren, die als Matrizen in -$M_n(\mathbb{R})$ betrachtet werden können. -Wenn $\gamma(t)$ die Matrixelemente $\gamma_{ij}(t)$ hat, dann ist der -Tangentialvektor im Punkt $\gamma(t)$ durch -\[ -\frac{d}{dt} -\gamma(t) -= -\begin{pmatrix} -\dot{\gamma}_{11}(t)&\dots &\dot{\gamma}_{1n}(t)\\ -\vdots &\ddots&\vdots \\ -\dot{\gamma}_{n1}(t)&\dots &\dot{\gamma}_{nn}(t) -\end{pmatrix} -\] -gegeben. - -Im Allgemeinen kann man Tangentialvektoren in verschiedenen Punkten -einer Mannigfaltigkeit nicht miteinander vergleichen. -Die Multiplikation $l_g$, die den Punkt $e$ in den Punkt $g$ verschiebt, -transportiert auch die Tangentialvektoren im Punkt $e$ in -Tangentialvektoren im Punkt $g$. - -\begin{aufgabe} -Gibt es eine Kurve $\gamma(t)\in\mathbb{GL}_n(\mathbb{R})$ mit -$\gamma(0)=e$ derart, dass der Tangentialvektor im Punkt $\gamma(t)$ -für $t>0$ derselbe ist wie der Tangentialvektor im Punkt $e$, transportiert -durch Matrixmultiplikation mit $\gamma(t)$? -\end{aufgabe} - -Eine solche Kurve muss die Differentialgleichung -\begin{equation} -\frac{d}{dt}\gamma(t) -= -\gamma(t)\cdot A -\label{buch:gruppen:eqn:expdgl} -\end{equation} -erfüllen, wobei $A\in M_n(\mathbb{R})$ der gegebene Tangentialvektor -in $e=I$ ist. - -Die Matrixexponentialfunktion -\[ -e^{At} -= -1+At+\frac{A^2t^2}{2!}+\frac{A^3t^3}{3!}+\frac{A^4t^4}{4!}+\dots -\] -liefert eine Einparametergruppe -$\mathbb{R}\to \operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$ mit der Ableitung -\[ -\frac{d}{dt} e^{At} -= -\lim_{h\to 0} \frac{e^{A(t+h)}-e^{At}}{h} -= -\lim_{h\to 0} e^{At}\frac{e^{Ah}-I}{h} -= -e^{At} A. -\] -Sie ist also Lösung der Differentialgleichung~\eqref{buch:gruppen:eqn:expdgl}. - -\subsection{Drehungen in der Ebene -\label{buch:gruppen:drehungen2d}} -Die Drehungen der Ebene sind die orientierungserhaltenden Symmetrien -des Einheitskreises, der in Abbildung~\ref{buch:gruppen:fig:kartenkreis} -als Mannigfaltigkeit erkannt wurde. -Sie bilden eine Lie-Gruppe, die auf verschiedene Arten als Matrix -beschrieben werden kann. - -\subsubsection{Die Untergruppe -$\operatorname{SO}(2)\subset \operatorname{GL}_2(\mathbb{R})$} -Drehungen der Ebene können in einer orthonormierten Basis durch -Matrizen der Form -\[ -D_{\alpha} -= -\begin{pmatrix} -\cos\alpha&-\sin\alpha\\ -\sin\alpha& \cos\alpha -\end{pmatrix} -\] -dargestellt werden. -Wir bezeichnen die Menge der Drehmatrizen in der Ebene mit -$\operatorname{SO}(2)\subset\operatorname{GL}_2(\mathbb{R})$. -Die Abbildung -\[ -D_{\bullet} -\colon -\mathbb{R}\to \operatorname{SO}(2) -: -\alpha \mapsto D_{\alpha} -\] -hat die Eigenschaften -\begin{align*} -D_{\alpha+\beta}&= D_{\alpha}D_{\beta} -\\ -D_0&=I -\\ -D_{2k\pi}&=I\qquad \forall k\in\mathbb{Z}. -\end{align*} -Daraus folgt zum Beispiel, dass $D_{\bullet}$ eine $2\pi$-periodische -Funktion ist. -$D_{\bullet}$ bildet die Menge der Winkel $[0,2\pi)$ bijektiv auf -die Menge der Drehmatrizen in der Ebene ab. - -Für jedes Intervall $(a,b)\subset\mathbb{R}$ mit Länge -$b-a < 2\pi$ ist die Abbildung $\alpha\mapsto D_{\alpha}$ umkehrbar, -die Umkehrung kann als Karte verwendet werden. -Zwei verschiedene Karten $\alpha_1\colon U_1\to\mathbb{R}$ und -$\alpha_2\colon U_2\to\mathbb{R}$ bilden die Elemente $g\in U_1\cap U_2$ -in Winkel $\alpha_1(g)$ und $\alpha_2(g)$ ab, für die -$D_{\alpha_1(g)}=D_{\alpha_2(g)}$ gilt. -Dies ist gleichbedeutend damit, dass $\alpha_1(g)=\alpha_2(g)+2\pi k$ -mit $k\in \mathbb{Z}$. -In einem Intervall in $U_1\cap U_2$ muss $k$ konstant sein. -Die Kartenwechselabblidung ist also nur die Addition eines Vielfachen -von $2\pi$, mit der identischen Abbildung als Ableitung. -Diese Karten führen also auf besonders einfache Kartenwechselabbildungen. - -\subsubsection{Die Untergruppe $S^1\subset\mathbb{C}$} -Ein alternatives Bild für die Drehungen der Ebene kann man in der komplexen -Ebene $\mathbb{C}$ erhalten. -Die Multiplikation mit der komplexen Zahl $e^{i\alpha}$ beschreibt eine -Drehung der komplexen Ebene um den Winkel $\alpha$. -Die Zahlen der Form $e^{i\alpha}$ haben den Betrag $1$ und die Abbildung -\[ -f\colon \mathbb{R}\to \mathbb{C}:\alpha \mapsto e^{i\alpha} -\] -hat die Eigenschaften -\begin{align*} -f(\alpha+\beta) &= f(\alpha)f(\beta) -\\ -f(0)&=1 -\\ -f(2\pi k)&=1\qquad\forall k\in\mathbb{Z}, -\end{align*} -die zu den Eigenschaften der Abbildung $\alpha\mapsto D_{\alpha}$ -analog sind. - -Jede komplexe Zahl $z$ vom Betrag $1$ kann geschrieben werden in der Form -$z=e^{i\alpha}$, die Abbildung $f$ ist also eine Parametrisierung des -Einheitskreises in der Ebene. -Wir bezeichen $S^1=\{z\in\mathbb{C}\;|\; |z|=1\}$ die komplexen Zahlen vom -Betrag $1$. -$S^1$ ist eine Gruppe bezüglich der Multiplikation, da für jede Zahl -$z,w\in S^1$ gilt -$|z^{-1}|=1$ und $|zw|=1$ und damit $z^{-1}\in S^1$ und $zw\in S^1$. - -Zu einer komplexen Zahl $z\in S^1$ gibt es einen bis auf Vielfache -von $2\pi$ eindeutigen Winkel $\alpha(z)$ derart, dass $e^{i\alpha(z)}=z$. -Damit kann man jetzt die Abbildung -\[ -\varphi -\colon -S^1\to \operatorname{SO}(2) -: -z\mapsto D_{\alpha(z)} -\] -konstruieren. -Da $D_{\alpha}$ $2\pi$-periodisch ist, geben um Vielfache -von $2\pi$ verschiedene Wahlen von $\alpha(z)$ die gleiche -Matrix $D_{\alpha(z)}$, die Abbildung $\varphi$ ist daher -wohldefiniert. -$\varphi$ erfüllt ausserdem die Bedingungen -\begin{align*} -\varphi(z_1z_2) -&= -D_{\alpha(z_1z_2)} -= -D_{\alpha(z_1)+\alpha(z_2)} -= -D_{\alpha(z_1)}D_{\alpha(z_2)} -= -\varphi(z_1)\varphi(z_2) -\\ -\varphi(1) -&= -D_{\alpha(1)} -= -D_0 -= -I -\end{align*} -Die Abbildung $\varphi$ ist ein Homomorphismus der Gruppe $S^1$ -in die Gruppe $\operatorname{SO}(2)$. -Die Menge der Drehmatrizen in der Ebene kann also mit dem Einheitskreis -in der komplexen Ebene identifiziert werden. - -\subsubsection{Tangentialvektoren von $\operatorname{SO}(2)$} -Da die Gruppe $\operatorname{SO}(2)$ eine eindimensionale Gruppe -ist, kann jede Kurve $\gamma(t)$ durch den Drehwinkel $\alpha(t)$ -mit $\gamma(t) = D_{\alpha(t)}$ beschrieben werden. -Die Ableitung in $M_2(\mathbb{R})$ ist -\begin{align*} -\frac{d}{dt} \gamma(t) -&= -\frac{d}{d\alpha} -\begin{pmatrix} -\cos\alpha(t) & - \sin\alpha(t)\\ -\sin\alpha(t) & \cos\alpha(t) -\end{pmatrix} -\cdot -\frac{d\alpha}{dt} -\\ -&= -\begin{pmatrix} --\sin\alpha(t)&-\cos\alpha(t)\\ - \cos\alpha(t)&-\sin\alpha(t) -\end{pmatrix} -\cdot -\dot{\alpha}(t) -\\ -&= -\begin{pmatrix} -\cos\alpha(t) & - \sin\alpha(t)\\ -\sin\alpha(t) & \cos\alpha(t) -\end{pmatrix} -\begin{pmatrix} -0&-1\\ -1&0 -\end{pmatrix} -\cdot -\dot{\alpha}(t) -= -D_{\alpha(t)}J\cdot\dot{\alpha}(t). -\end{align*} -Alle Tangentialvektoren von $\operatorname{SO}(2)$ im Punkt $D_\alpha$ -entstehen aus $J$ durch Drehung mit der Matrix $D_\alpha$ und Skalierung -mit $\dot{\alpha}(t)$. - -% -% Isometrien von R^n -% -\subsection{Isometrien von $\mathbb{R}^n$ -\label{buch:gruppen:isometrien}} - -\subsubsection{Skalarprodukt} -Lineare Abbildungen des Raumes $\mathbb{R}^n$ können durch -$n\times n$-Matrizen beschrieben werden. -Die Matrizen, die das Standardskalarprodukt $\mathbb{R}^n$ erhalten, -bilden eine Gruppe, die in diesem Abschnitt genauer untersucht werden soll. -Eine Matrix $A\in M_{n}(\mathbb{R})$ ändert das Skalarprodukt, wenn -für jedes beliebige Paar $x,y$ von Vektoren gilt -$\langle Ax,Ay\rangle = \langle x,y\rangle$. -Das Standardskalarprodukt kann mit dem Matrixprodukt ausgedrückt werden: -\[ -\langle Ax,Ay\rangle -= -(Ax)^tAy -= -x^tA^tAy -= -x^ty -= -\langle x,y\rangle -\] -für jedes Paar von Vektoren $x,y\in\mathbb{R}$. - -Mit dem Skalarprodukt kann man auch die Matrixelemente einer Matrix -einer Abbildung $f$ in der Standardbasis bestimmen. -Das Skalarprodukt $\langle e_i, v\rangle$ ist die Länge der Projektion -des Vektors $v$ auf die Richtung $e_i$. -Die Komponenten von $Ae_j$ sind daher $a_{ij}=\langle e_i,f(e_j)\rangle$. -Die Matrix $A$ der Abbildung $f$ hat also die Matrixelemente -$a_{ij}=e_i^tAe_j$. - -\subsubsection{Die orthogonale Gruppe $\operatorname{O}(n)$} -Die Matrixelemente von $A^tA$ sind -$\langle A^tAe_i, e_j\rangle =\langle e_i,e_j\rangle = \delta_{ij}$ -sind diejenigen der Einheitsmatrix, -die Matrix $A$ erfüllt $AA^t=I$ oder $A^{-1}=A^t$. -Dies sind die {\em orthogonalen} Matrizen. -Die Menge $\operatorname{O}(n)$ der isometrischen Abbildungen besteht -daher aus den Matrizen -\[ -\operatorname{O}(n) -= -\{ A\in M_n(\mathbb{R})\;|\; AA^t=I\}. -\] -Die Matrixgleichung $AA^t=I$ liefert $n(n+1)/2$ unabhängige Bedingungen, -die die orthogonalen Matrizen innerhalb der $n^2$-dimensionalen -Menge $M_n(\mathbb{R})$ auszeichnen. -Die Menge $\operatorname{O}(n)$ der orthogonalen Matrizen hat daher -die Dimension -\[ -n^2 - \frac{n(n+1)}{2} -= -\frac{2n^2-n^2-n}{2} -= -\frac{n(n-1)}2. -\] -Im Spezialfall $n=2$ ist die Gruppe $O(2)$ eindimensional. - -\subsubsection{Tangentialvektoren} -Die orthogonalen Matrizen bilden eine abgeschlossene Untermannigfaltigkeit -von $\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$, nicht jede Matrix $M_n(\mathbb{R})$ -kann also ein Tangentialvektor von $O(n)$ sein. -Um herauszufinden, welche Matrizen als Tangentialvektoren in Frage -kommen, betrachten wir eine Kurve $\gamma\colon\mathbb{R}\to O(n)$ -von orthogonalen Matrizen mit $\gamma(0)=I$. -Orthogonal bedeutet -\[ -\begin{aligned} -&& -0 -&= -\frac{d}{dt}I -= -\frac{d}{dt} -(\gamma(t)^t\gamma(t)) -= -\dot{\gamma}(t)^t\gamma(t)) -+ -\gamma(t)^t\dot{\gamma}(t)) -\\ -&\Rightarrow& -0 -&= -\dot{\gamma}(0)^t \cdot I + I\cdot \dot{\gamma(0)} -= -\dot{\gamma}(0)^t + \dot{\gamma}(0) -= -A^t+A=0 -\\ -&\Rightarrow& -A^t&=-A -\end{aligned} -\] -Die Tangentialvektoren von $\operatorname{O}(n)$ sind also genau -die antisymmetrischen Matrizen. - -Für $n=2$ sind alle antisymmetrischen Matrizen Vielfache der Matrix -$J$, wie in Abschnitt~\ref{buch:gruppen:drehungen2d} -gezeigt wurde. - -Für jedes Paar $i<j$ ist die Matrix $A_{ij}$ mit den Matrixelementen -$(A_{ij})_{ij}=-1$ und $(A_{ij})_{ji}=1$ -antisymmetrisch. -Für $n=2$ ist $A_{12}=J$. -Die $n(n-1)/2$ Matrizen $A_{ij}$ bilden eine Basis des -$n(n-1)/2$-dimensionale Tangentialraumes von $\operatorname{O}(n)$. - -Tangentialvektoren in einem anderen Punkt $g\in\operatorname{O}(n)$ -haben die Form $gA$, wobei $A$ eine antisymmetrische Matrix ist. -Diese Matrizen sind nur noch in speziellen Fällen antisymmetrisch, -zum Beispiel im Punkt $-I\in\operatorname{O}(n)$. - -\subsubsection{Die Gruppe $\operatorname{SO}(n)$} -Die Gruppe $\operatorname{O}(n)$ enhält auch Isometrien, die -die Orientierung des Raumes umkehren, wie zum Beispiel Spiegelungen. -Wegen $\det (AA^t)=\det A\det A^t = (\det A)^2=1$ kann die Determinante -einer orthogonalen Matrix nur $\pm 1$ sein. -Orientierungserhaltende Isometrien haben Determinante $1$. - -Die Gruppe -\[ -\operatorname{SO}(n) -= -\{A\in\operatorname{O}(n)\;|\; \det A=1\} -\] -heisst die {\em spezielle orthogonale Gruppe}. -Die Dimension der Gruppe $\operatorname{O}(n)$ ist $n(n-1)/2$. - -\subsubsection{Die Gruppe $\operatorname{SO}(3)$} -Die Gruppe $\operatorname{SO}(3)$ der Drehungen des dreidimensionalen -Raumes hat die Dimension $3(3-1)/2=3$. -Eine Drehung wird festgelegt durch die Richtung der Drehachse und den -Drehwinkel. -Die Richtung der Drehachse ist ein Einheitsvektor, also ein Punkt -auf der zweidimensionalen Kugel. -Der Drehwinkel ist der dritte Parameter. - -Drehungen mit kleinen Drehwinkeln können zusammengesetzt werden -aus den Matrizen -\begin{align*} -D_{x,\alpha} -&= -\begin{pmatrix} -1&0&0\\ -0&\cos\alpha&-\sin\alpha\\ -0&\sin\alpha& \cos\alpha -\end{pmatrix}, -& -D_{y,\beta} -&= -\begin{pmatrix} - \cos\beta&0&\sin\beta\\ - 0 &1& 0 \\ --\sin\beta&0&\cos\beta -\end{pmatrix}, -& -D_{z,\gamma} -&= -\begin{pmatrix} -\cos\gamma&-\sin\gamma&0\\ -\sin\gamma& \cos\gamma&0\\ - 0 & 0 &1 -\end{pmatrix} -\\ -&= -e^{A_{23}t} -& -&= -e^{-A_{13}t} -& -&= -e^{A_{21}t} -\end{align*} -die Drehungen um die Koordinatenachsen um den Winkel $\alpha$ -beschreiben. -Auch die Winkel $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ können als die -drei Koordinaten der Mannigkfaltigkeit $\operatorname{SO}(3)$ -angesehen werden. - -% -% Spezielle lineare Gruppe -% -\subsection{Volumenerhaltende Abbildungen und -die Gruppe $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ -\label{buch:gruppen:sl}} -Die Elemente der Gruppe $SO(n)$ erhalten Längen, Winkel und die -Orientierung, also auch das Volumen. -Es gibt aber volumenerhaltende Abbildungen, die Längen oder Winkel -nicht notwendigerweise erhalten. -Matrizen $A\in M_n(\mathbb{R})$, die das Volumen erhalten, -haben die Determinante $\det A=1$. -Wegen $\det(AB)=\det A\det B$ ist das Produkt zweier Matrizen mit -Determinante $1$ wieder eine solche, sie bilden daher eine Gruppe. - -\begin{definition} -Die volumenerhaltenden Abbildungen bilden die Gruppe -\[ -\operatorname{SL}_n(\mathbb{R}) -= -\{ -A\in M_n(\mathbb{R}) -\;|\; -\det (A) = 1 -\} -\] -sie heisst die {\em spezielle lineare Gruppe}. -\end{definition} - -Wir wollen jetzt die Tangentialvektoren von $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ -bestimmen. -Dazu sei $A(t)$ eine Kurve in $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$ -mit $A(0)=I$. -Für alle $t\in\mathbb{R}$ ist $\det A(t)=1$, daher ist die Ableitung -\[ -\frac{d}{dt} \det A(t) = 0 -\quad\text{an der Stelle $t=0$.} -\] -Für $n=2$ ist -\begin{align*} -A(t) -&= -\begin{pmatrix} -a(t)&b(t)\\ -c(t)&d(t) -\end{pmatrix} -\in -\operatorname{SL}_2(\mathbb{R}) -&&\Rightarrow& -\frac{d}{dt} -\det A(t)\bigg|_{t=0} -&= -\dot{a}(0) d(0)+a(0)\dot{d}(0) -- -\dot{b}(0) c(0)-b(0)\dot{c}(0) -\\ -&&&& -&= -\dot{a}(0) + \dot{d}(0) -\\ -&&&& -&= -\operatorname{Spur}\frac{dA}{dt}. -\end{align*} -Dies gilt nicht nur im Falle $n=2$, sondern ganz allgemein für beliebige -$n\times n$-Matrizen. - -\begin{satz} -Ist $A(t)$ eine differenzierbare Kurve in $\operatorname{SL}_n(\mathbb{B})$ -mit $A(0)=I$, dann ist $\operatorname{Spur}\dot{A}(0)=0$. -\end{satz} - -\begin{proof}[Beweis] -Die Entwicklung der Determinante von $A$ nach der ersten Spalte ist -\[ -\det A(t) = \sum_{i=1}^n (-1)^{i+1} a_{i1}(t) \det A_{i1}(t). -\] -Die Ableitung nach $t$ ist -\[ -\frac{d}{dt} \det A(t) -= -\sum_{i=1}^n (-1)^{i+1} \dot{a}_{i1}(t) \det A_{i1}(t). -+ -\sum_{i=1}^n (-1)^{i+1} a_{i1}(t) \frac{d}{dt}\det A_{i1}(t). -\] -An der Stelle $t=0$ enthält $\det A_{i1}(0)$ für $i\ne 1$ -eine Nullzeile, der einzige nichtverschwindende Term in der ersten -Summe ist daher der erste. -In der zweiten Summe ist das einzige nicht verschwindende $a_{i1}(0)$ -jenes für $i=1$, somit ist die Ableitung von $\det A(t)$ -\begin{equation} -\frac{d}{dt} \det A(t) -= -\dot{a}_{11}(t) \det A_{11}(t). -+ -\frac{d}{dt}\det A_{11}(t) -= -\dot{a}_{11}(0) -+ -\frac{d}{dt}\det A_{11}(t). -\label{buch:gruppen:eqn:detspur} -\end{equation} -Die Beziehung \eqref{buch:gruppen:eqn:detspur} kann für einen Beweis mit -vollständiger Induktion verwendet werden. - -Die Induktionsverankerung für $n=1$ besagt, dass $\det A(t)=a_{11}(t)$ -genau dann konstant $=1$ ist, wenn $\dot{a}_{11}(0)=\operatorname{Spur}A(0)$ -ist. -Unter der Induktionsannahme, dass für eine $(n-1)\times(n-1)$-Matrix -$\tilde{A}(t)$ mit $\tilde{A}(0)=I$ die Ableitung der Determinante -\[ -\frac{d}{dt}\tilde{A}(0) -= -\operatorname{Spur}\dot{\tilde{A}}(0) -\] -ist, folgt jetzt mit -\eqref{buch:gruppen:eqn:detspur}, dass -\[ -\frac{d}{dt}A(0) -= -\dot{a}_{11}(0) -+ -\frac{d}{dt} \det A_{11}(t)\bigg|_{t=0} -= -\dot{a}_{11}(0) -+ -\operatorname{Spur}\dot{A}_{11}(0) -= -\operatorname{Spur}\dot{A}(0). -\] -Damit folgt jetzt die Behauptung für alle $n$. -\end{proof} - -\begin{beispiel} -Die Tangentialvektoren von $\operatorname{SL}_2(\mathbb{R})$ sind -die spurlosen Matrizen -\[ -A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix} -\quad\Rightarrow\quad -\operatorname{Spur}A=a+d=0 -\quad\Rightarrow\quad -A=\begin{pmatrix}a&b\\c&-a\end{pmatrix}. -\] -Der Tangentialraum ist also dreidimensional. -Als Basis könnte man die folgenden Vektoren verwenden: -\begin{align*} -A -&= -\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix} -&&\Rightarrow& -e^{At} -&= -\begin{pmatrix} e^t & 0 \\ 0 & e^{-t} \end{pmatrix} -\\ -B -&= -\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix} -&&\Rightarrow& -e^{Bt} -&= -\begin{pmatrix} -\cos t & -\sin t\\ -\sin t & \cos t -\end{pmatrix} -\\ -C -&= -\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} -&&\Rightarrow& -e^{Ct} -&= -I + Ct + \frac{C^2t^2}{2!} + \frac{C^3t^3}{3!} + \frac{C^4t^4}{4!}+\dots -\\ -&&&& -&= -I\biggl(1 + \frac{t^2}{2!} + \frac{t^4}{4!}+\dots \biggr) -+ -C\biggl(t + \frac{t^3}{3!} + \frac{t^5}{5!}+\dots \biggr) -\\ -&&&& -&= -I\cosh t + C \sinh t -= -\begin{pmatrix} -\cosh t & \sinh t\\ -\sinh t & \cosh t -\end{pmatrix}, -\end{align*} -wobei in der Auswertung der Potenzreihe für $e^{Ct}$ verwendet wurde, -dass $C^2=I$. - -Die Matrizen $e^{At}$ Streckungen der einen Koordinatenachse und -Stauchungen der anderen derart, dass das Volumen erhalten bleibt. -Die Matrizen $e^{Bt}$ sind Drehmatrizen, die Längen und Winkel und -damit erst recht den Flächeninhalt erhalten. -Die Matrizen der Form $e^{Ct}$ haben die Vektoren $(1,\pm1)$ als -Eigenvektoren: -\begin{align*} -\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} -&\mapsto -e^{Ct} -\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} -= -(\cosh t +\sinh t) -\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} -= -\biggl( -\frac{e^t+e^{-t}}2 -+ -\frac{e^t-e^{-t}}2 -\biggr) -\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} -= -e^t -\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} -\\ -\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix} -&\mapsto -e^{Ct} -\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix} -= -(\cosh t -\sinh t) -\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix} -= -\biggl( -\frac{e^t+e^{-t}}2 -- -\frac{e^t-e^{-t}}2 -\biggr) -\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix} -= -e^{-t} -\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix} -\end{align*} -Die Matrizen $e^{Ct}$ strecken die Richtung $(1,1)$ um $e^t$ und -die dazu orthogonale Richtung $(1,-1)$ um den Faktor $e^{-t}$. -Dies ist die gegenüber $e^{At}$ um $45^\circ$ verdrehte Situation, -auch diese Matrizen sind flächenerhaltend. -\begin{figure} -\centering -\includegraphics{chapters/60-gruppen/images/sl2.pdf} -\caption{Tangentialvektoren und die davon erzeugen Einparameteruntergruppen -für die Lie-Gruppe $\operatorname{SL}_2(\mathbb{R})$ der flächenerhaltenden -linearen Abbildungen von $\mathbb{R}^2$. -In allen drei Fällen wird ein blauer Rhombus mit den Ecken in den -Standardbasisvektoren von einer Matrix der Einparameteruntergruppe zu -zum roten Viereck verzerrt, der Flächeninhalt bleibt aber erhalten. -In den beiden Fällen $B$ und $C$ stellen die grünen Kurven die Bahnen -der Bilder der Standardbasisvektoren dar. -\label{buch:gruppen:fig:sl2}} -\end{figure}% -\begin{figure} -\centering -\includegraphics{chapters/60-gruppen/images/scherungen.pdf} -\caption{Weitere Matrizen mit Spur $0$ und ihre Wirkung -Die inken beiden Beispiele $M$ und $N$ sind nilpotente Matrizen, -die zugehörigen Einparameter-Untergruppen beschreiben Schwerungen. -\label{buch:gruppen:fig:scherungen}} -\end{figure} -\end{beispiel} - -% -% Die Gruppe SU(2) -% -\subsection{Die Gruppe $\operatorname{SU}(2)$ -\label{buch:gruppen:su2}} -Die Menge der Matrizen -\[ -\operatorname{SU}(2) -= -\left\{ -\left. -A=\begin{pmatrix} a&b\\c&d\end{pmatrix} -\;\right|\; -a,b,c,d\in\mathbb{C},\det(A)=1, AA^*=I -\right\} -\] -heisst die {\em spezielle unitäre Gruppe}. -Wegen $\det(AB)=\det(A)\det(B)=1$ und $(AB)^*AB=B^*A^*AB=B^*B=I$ ist -$\operatorname{SU}(2)$ eine Untergruppe von $\operatorname{GL}_2(\mathbb{C})$. -Die Bedingungen $\det A=1$ und $AA^*=I$ schränken die möglichen Werte -von $a$ und $b$ weiter ein. -Aus -\[ -A^* -= -\begin{pmatrix} -\overline{a}&\overline{c}\\ -\overline{b}&\overline{d} -\end{pmatrix} -\] -und den Bedingungen führen die Gleichungen -\[ -\begin{aligned} -a\overline{a}+b\overline{b}&=1 -&&\Rightarrow&|a|^2+|b|^2&=1 -\\ -a\overline{c}+b\overline{d}&=0 -&&\Rightarrow& -\frac{a}{b}&=-\frac{\overline{d}}{\overline{c}} -\\ -c\overline{a}+d\overline{b}&=0 -&&\Rightarrow& -\frac{c}{d}&=-\frac{\overline{b}}{\overline{a}} -\\ -c\overline{c}+d\overline{d}&=1&&\Rightarrow&|c|^2+|d|^2&=1 -\\ -ad-bc&=1 -\end{aligned} -\] -Aus der zweiten Gleichung kann man ableiten, dass es eine Zahl $t\in\mathbb{C}$ -gibt derart, dass $c=-t\overline{b}$ und $d=t\overline{a}$. -Damit wird die Bedingung an die Determinante zu -\[ -1 -= -ad-bc = at\overline{a} - b(-t\overline{b}) -= -t(|a|^2+|b|^2) -= -t, -\] -also muss die Matrix $A$ die Form haben -\[ -A -= -\begin{pmatrix} -a&b\\ --\overline{b}&\overline{a} -\end{pmatrix} -\qquad\text{mit}\quad |a|^2+|b|^2=1. -\] -Schreibt man $a=a_1+ia_2$ und $b=b_1+ib_2$ mit rellen $a_i$ und $b_i$, -dann besteht $SU(2)$ aus den Matrizen der Form -\[ -A= -\begin{pmatrix} - a_1+ia_2&b_1+ib_2\\ --b_1+ib_2&a_1-ia_2 -\end{pmatrix} -\] -mit der zusätzlichen Bedingung -\[ -|a|^2+|b|^2 -= -a_1^2 + a_2^2 + b_1^2 + b_2^2 = 1. -\] -Die Matrizen von $\operatorname{SU}(2)$ stehen daher in einer -eins-zu-eins-Beziehung zu den Vektoren $(a_1,a_2,b_1,b_2)\in\mathbb{R}^4$ -eines vierdimensionalen reellen Vektorraums mit Länge $1$. -Geometrisch betrachtet ist also $\operatorname{SU}(2)$ eine dreidmensionalen -Kugel, die in einem vierdimensionalen Raum eingebettet ist. - - - +%
+% lie-gruppen.tex -- Lie-Gruppebn
+%
+% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
+%
+\section{Lie-Gruppen
+\label{buch:section:lie-gruppen}}
+\rhead{Lie-Gruppen}
+Die in bisherigen Beispielen untersuchten Matrizengruppen zeichnen sich
+durch zusätzliche Eigenschaften aus.
+Die Gruppe
+\[
+\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})
+=
+\{ A \in M_n(\mathbb{R})\;|\; \det A \ne 0\}
+\]
+besteht aus den Matrizen, deren Determinante nicht $0$ ist.
+Da die Menge der Matrizen mit $\det A=0$ eine abgeschlossene Menge
+in $M_n(\mathbb{R}) \simeq \mathbb{R}^{n^2}$ ist, ist
+$\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$ eine offene Teilmenge in $\mathbb{R}^{n^2}$,
+sie besitzt also automatisch die Struktur einer $n^2$-Mannigfaltigkeit.
+Dies gilt jedoch auch für alle anderen Matrizengruppen, die in diesem
+Abschnitt genauer untersucht werden sollen.
+
+\subsection{Mannigfaltigkeitsstruktur der Matrizengruppen
+\label{buch:subsection:mannigfaltigkeitsstruktur-der-matrizengruppen}}
+Eine Matrizengruppe wird automatsich zu einer Mannigfaltigkeit,
+wenn es gelingt, eine Karte für eine Umgebung des neutralen Elements
+zu finden.
+Dazu muss gezeigt werden, dass sich aus einer solchen Karte für jedes
+andere Gruppenelement eine Karte für eine Umgebung ableiten lässt.
+Sei also $\varphi_e\colon U_e\mathbb{R}^N$ eine Karte für die Umgebung
+$U_e\subset G$ von $e\in G$.
+Für $g\in G$ ist dann die Abbildung
+\[
+\varphi_g
+\colon
+U_g
+=
+gU_e
+\to
+\mathbb{R}
+:
+h\mapsto \varphi_e(g^{-1}h)
+\]
+eine Karte für die Umgebung $U_g$ des Gruppenelementes $g$.
+schreibt man $l_{g}$ für die Abbildung $h\mapsto gh$, dann
+kann man die Kartenabbildung auch $\varphi_g = \varphi_e\circ l_{g^{-1}}$
+schreiben.
+
+\subsubsection{Kartenwechsel}
+Die Kartenwechsel-Abbildungen für zwei Karten $\varphi_{g_1}$
+und $\varphi_{g_2}$ ist die Abbildung
+\[
+\varphi_{g_1,g_2}
+=
+\varphi_{g_1}\circ \varphi_{g_2}^{-1}
+=
+\varphi_e\circ l_{g_1^{-1}} \circ (\varphi_e\circ l_{g_2^{-1}})^{-1}
+=
+\varphi_e\circ l_{g_1^{-1}} \circ l_{g_2^{-1}}^{-1} \varphi_e^{-1}
+=
+\varphi_e\circ l_{g_1^{-1}} \circ l_{g_2}\varphi_e^{-1}
+=
+\varphi_e\circ l_{g_1^{-1}g_2}\varphi_e^{-1}
+\]
+mit der Ableitung
+\[
+D\varphi_e\circ Dl_{g_1^{-1}g_2} D\varphi_e^{-1}
+=
+D\varphi_e\circ Dl_{g_1^{-1}g_2} (D\varphi_e)^{-1}.
+\]
+Die Abbildung $l_{g_1^{-1}g_2}$ ist aber nur die Multiplikation mit
+einer Matrix, also eine lineare Abbildung, so dass der Kartenwechsel
+nichts anderes ist als die Darstellung der Matrix der Linksmultiplikation
+$l_{g_1^{-1}g_2}$ im Koordinatensystem der Karte $U_e$ ist.
+Differenzierbarkeit der Kartenwechsel ist damit sichergestellt,
+die Matrizengruppen sind automatisch differenzierbare Mannigfaltigkeiten.
+
+Die Konstruktion aller Karten aus einer einzigen Karte für eine
+Umgebung des neutralen Elements zeigt auch, dass es für die Matrizengruppen
+reicht, wenn man die Elemente in einer Umgebung des neutralen
+Elementes parametrisieren kann.
+Dies ist jedoch nicht nur für die Matrizengruppen möglich.
+Wenn eine Gruppe gleichzeitig eine differenzierbare Mannigfaltigkeit
+ist, dann können Karten über die ganze Gruppe transportiert werden,
+wenn die Multiplikation mit Gruppenelementen eine differenzierbare
+Abbildung ist.
+Solche Gruppen heissen auch Lie-Gruppen gemäss der folgenden Definition.
+
+\begin{definition}
+\index{Lie-Gruppe}%
+Eine {\em Lie-Gruppe} ist eine Gruppe, die gleichzeitig eine differenzierbare
+Mannigfaltigkeit ist derart, dass die Abbildungen
+\begin{align*}
+G\times G \to G &: (g_1,g_2)\mapsto g_1g_2
+\\
+G\to G &: g \mapsto g^{-1}
+\end{align*}
+differenzierbare Abbildungen zwischen Mannigfaltigkeiten sind.
+\end{definition}
+
+Die Abstraktheit dieser Definition täuscht etwas über die
+Tatsache hinweg, dass sich mit Hilfe der Darstellungstheorie
+jede beliebige Lie-Gruppe als Untermannigfaltigkeit einer
+Matrizengruppe verstehen lässt.
+Das Studium der Matrizengruppen erlaubt uns daher ohne grosse
+Einschränkungen ein Verständnis für die Theorie der Lie-Gruppen
+zu entwickeln.
+
+\subsubsection{Tangentialvektoren und die Exponentialabbildung}
+Die Matrizengruppen sind alle in der
+$n^2$-dimensionalen Mannigfaltigkeit $\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$
+enthalten.
+Diffferenzierbare Kurven $\gamma(t)$ in $\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$
+haben daher in jedem Punkt Tangentialvektoren, die als Matrizen in
+$M_n(\mathbb{R})$ betrachtet werden können.
+Wenn $\gamma(t)$ die Matrixelemente $\gamma_{ij}(t)$ hat, dann ist der
+Tangentialvektor im Punkt $\gamma(t)$ durch
+\[
+\frac{d}{dt}
+\gamma(t)
+=
+\begin{pmatrix}
+\dot{\gamma}_{11}(t)&\dots &\dot{\gamma}_{1n}(t)\\
+\vdots &\ddots&\vdots \\
+\dot{\gamma}_{n1}(t)&\dots &\dot{\gamma}_{nn}(t)
+\end{pmatrix}
+\]
+gegeben.
+
+Im Allgemeinen kann man Tangentialvektoren in verschiedenen Punkten
+einer Mannigfaltigkeit nicht miteinander vergleichen.
+Die Multiplikation $l_g$, die den Punkt $e$ in den Punkt $g$ verschiebt,
+transportiert auch die Tangentialvektoren im Punkt $e$ in
+Tangentialvektoren im Punkt $g$.
+
+\begin{aufgabe}
+Gibt es eine Kurve $\gamma(t)\in\mathbb{GL}_n(\mathbb{R})$ mit
+$\gamma(0)=e$ derart, dass der Tangentialvektor im Punkt $\gamma(t)$
+für $t>0$ derselbe ist wie der Tangentialvektor im Punkt $e$, transportiert
+durch Matrixmultiplikation mit $\gamma(t)$?
+\end{aufgabe}
+
+Eine solche Kurve muss die Differentialgleichung
+\begin{equation}
+\frac{d}{dt}\gamma(t)
+=
+\gamma(t)\cdot A
+\label{buch:gruppen:eqn:expdgl}
+\end{equation}
+erfüllen, wobei $A\in M_n(\mathbb{R})$ der gegebene Tangentialvektor
+in $e=I$ ist.
+
+Die Matrixexponentialfunktion
+\[
+e^{At}
+=
+1+At+\frac{A^2t^2}{2!}+\frac{A^3t^3}{3!}+\frac{A^4t^4}{4!}+\dots
+\]
+liefert eine Einparametergruppe
+$\mathbb{R}\to \operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$ mit der Ableitung
+\[
+\frac{d}{dt} e^{At}
+=
+\lim_{h\to 0} \frac{e^{A(t+h)}-e^{At}}{h}
+=
+\lim_{h\to 0} e^{At}\frac{e^{Ah}-I}{h}
+=
+e^{At} A.
+\]
+Sie ist also Lösung der Differentialgleichung~\eqref{buch:gruppen:eqn:expdgl}.
+
+\subsection{Drehungen in der Ebene
+\label{buch:gruppen:drehungen2d}}
+Die Drehungen der Ebene sind die orientierungserhaltenden Symmetrien
+des Einheitskreises, der in Abbildung~\ref{buch:gruppen:fig:kartenkreis}
+als Mannigfaltigkeit erkannt wurde.
+Sie bilden eine Lie-Gruppe, die auf verschiedene Arten als Matrix
+beschrieben werden kann.
+
+\subsubsection{Die Untergruppe
+$\operatorname{SO}(2)\subset \operatorname{GL}_2(\mathbb{R})$}
+Drehungen der Ebene können in einer orthonormierten Basis durch
+Matrizen der Form
+\[
+D_{\alpha}
+=
+\begin{pmatrix}
+\cos\alpha&-\sin\alpha\\
+\sin\alpha& \cos\alpha
+\end{pmatrix}
+\]
+dargestellt werden.
+Wir bezeichnen die Menge der Drehmatrizen in der Ebene mit
+$\operatorname{SO}(2)\subset\operatorname{GL}_2(\mathbb{R})$.
+Die Abbildung
+\[
+D_{\bullet}
+\colon
+\mathbb{R}\to \operatorname{SO}(2)
+:
+\alpha \mapsto D_{\alpha}
+\]
+hat die Eigenschaften
+\begin{align*}
+D_{\alpha+\beta}&= D_{\alpha}D_{\beta}
+\\
+D_0&=I
+\\
+D_{2k\pi}&=I\qquad \forall k\in\mathbb{Z}.
+\end{align*}
+Daraus folgt zum Beispiel, dass $D_{\bullet}$ eine $2\pi$-periodische
+Funktion ist.
+$D_{\bullet}$ bildet die Menge der Winkel $[0,2\pi)$ bijektiv auf
+die Menge der Drehmatrizen in der Ebene ab.
+
+Für jedes Intervall $(a,b)\subset\mathbb{R}$ mit Länge
+$b-a < 2\pi$ ist die Abbildung $\alpha\mapsto D_{\alpha}$ umkehrbar,
+die Umkehrung kann als Karte verwendet werden.
+Zwei verschiedene Karten $\alpha_1\colon U_1\to\mathbb{R}$ und
+$\alpha_2\colon U_2\to\mathbb{R}$ bilden die Elemente $g\in U_1\cap U_2$
+in Winkel $\alpha_1(g)$ und $\alpha_2(g)$ ab, für die
+$D_{\alpha_1(g)}=D_{\alpha_2(g)}$ gilt.
+Dies ist gleichbedeutend damit, dass $\alpha_1(g)=\alpha_2(g)+2\pi k$
+mit $k\in \mathbb{Z}$.
+In einem Intervall in $U_1\cap U_2$ muss $k$ konstant sein.
+Die Kartenwechselabblidung ist also nur die Addition eines Vielfachen
+von $2\pi$, mit der identischen Abbildung als Ableitung.
+Diese Karten führen also auf besonders einfache Kartenwechselabbildungen.
+
+\subsubsection{Die Untergruppe $S^1\subset\mathbb{C}$}
+Ein alternatives Bild für die Drehungen der Ebene kann man in der komplexen
+Ebene $\mathbb{C}$ erhalten.
+Die Multiplikation mit der komplexen Zahl $e^{i\alpha}$ beschreibt eine
+Drehung der komplexen Ebene um den Winkel $\alpha$.
+Die Zahlen der Form $e^{i\alpha}$ haben den Betrag $1$ und die Abbildung
+\[
+f\colon \mathbb{R}\to \mathbb{C}:\alpha \mapsto e^{i\alpha}
+\]
+hat die Eigenschaften
+\begin{align*}
+f(\alpha+\beta) &= f(\alpha)f(\beta)
+\\
+f(0)&=1
+\\
+f(2\pi k)&=1\qquad\forall k\in\mathbb{Z},
+\end{align*}
+die zu den Eigenschaften der Abbildung $\alpha\mapsto D_{\alpha}$
+analog sind.
+
+Jede komplexe Zahl $z$ vom Betrag $1$ kann geschrieben werden in der Form
+$z=e^{i\alpha}$, die Abbildung $f$ ist also eine Parametrisierung des
+Einheitskreises in der Ebene.
+Wir bezeichen $S^1=\{z\in\mathbb{C}\;|\; |z|=1\}$ die komplexen Zahlen vom
+Betrag $1$.
+$S^1$ ist eine Gruppe bezüglich der Multiplikation, da für jede Zahl
+$z,w\in S^1$ gilt
+$|z^{-1}|=1$ und $|zw|=1$ und damit $z^{-1}\in S^1$ und $zw\in S^1$.
+
+Zu einer komplexen Zahl $z\in S^1$ gibt es einen bis auf Vielfache
+von $2\pi$ eindeutigen Winkel $\alpha(z)$ derart, dass $e^{i\alpha(z)}=z$.
+Damit kann man jetzt die Abbildung
+\[
+\varphi
+\colon
+S^1\to \operatorname{SO}(2)
+:
+z\mapsto D_{\alpha(z)}
+\]
+konstruieren.
+Da $D_{\alpha}$ $2\pi$-periodisch ist, geben um Vielfache
+von $2\pi$ verschiedene Wahlen von $\alpha(z)$ die gleiche
+Matrix $D_{\alpha(z)}$, die Abbildung $\varphi$ ist daher
+wohldefiniert.
+$\varphi$ erfüllt ausserdem die Bedingungen
+\begin{align*}
+\varphi(z_1z_2)
+&=
+D_{\alpha(z_1z_2)}
+=
+D_{\alpha(z_1)+\alpha(z_2)}
+=
+D_{\alpha(z_1)}D_{\alpha(z_2)}
+=
+\varphi(z_1)\varphi(z_2)
+\\
+\varphi(1)
+&=
+D_{\alpha(1)}
+=
+D_0
+=
+I
+\end{align*}
+Die Abbildung $\varphi$ ist ein Homomorphismus der Gruppe $S^1$
+in die Gruppe $\operatorname{SO}(2)$.
+Die Menge der Drehmatrizen in der Ebene kann also mit dem Einheitskreis
+in der komplexen Ebene identifiziert werden.
+
+\subsubsection{Tangentialvektoren von $\operatorname{SO}(2)$}
+Da die Gruppe $\operatorname{SO}(2)$ eine eindimensionale Gruppe
+ist, kann jede Kurve $\gamma(t)$ durch den Drehwinkel $\alpha(t)$
+mit $\gamma(t) = D_{\alpha(t)}$ beschrieben werden.
+Die Ableitung in $M_2(\mathbb{R})$ ist
+\begin{align*}
+\frac{d}{dt} \gamma(t)
+&=
+\frac{d}{d\alpha}
+\begin{pmatrix}
+\cos\alpha(t) & - \sin\alpha(t)\\
+\sin\alpha(t) & \cos\alpha(t)
+\end{pmatrix}
+\cdot
+\frac{d\alpha}{dt}
+\\
+&=
+\begin{pmatrix}
+-\sin\alpha(t)&-\cos\alpha(t)\\
+ \cos\alpha(t)&-\sin\alpha(t)
+\end{pmatrix}
+\cdot
+\dot{\alpha}(t)
+\\
+&=
+\begin{pmatrix}
+\cos\alpha(t) & - \sin\alpha(t)\\
+\sin\alpha(t) & \cos\alpha(t)
+\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}
+0&-1\\
+1&0
+\end{pmatrix}
+\cdot
+\dot{\alpha}(t)
+=
+D_{\alpha(t)}J\cdot\dot{\alpha}(t).
+\end{align*}
+Alle Tangentialvektoren von $\operatorname{SO}(2)$ im Punkt $D_\alpha$
+entstehen aus $J$ durch Drehung mit der Matrix $D_\alpha$ und Skalierung
+mit $\dot{\alpha}(t)$.
+
+%
+% Isometrien von R^n
+%
+\subsection{Isometrien von $\mathbb{R}^n$
+\label{buch:gruppen:isometrien}}
+
+\subsubsection{Skalarprodukt}
+Lineare Abbildungen des Raumes $\mathbb{R}^n$ können durch
+$n\times n$-Matrizen beschrieben werden.
+Die Matrizen, die das Standardskalarprodukt $\mathbb{R}^n$ erhalten,
+bilden eine Gruppe, die in diesem Abschnitt genauer untersucht werden soll.
+Eine Matrix $A\in M_{n}(\mathbb{R})$ ändert das Skalarprodukt, wenn
+für jedes beliebige Paar $x,y$ von Vektoren gilt
+$\langle Ax,Ay\rangle = \langle x,y\rangle$.
+Das Standardskalarprodukt kann mit dem Matrixprodukt ausgedrückt werden:
+\[
+\langle Ax,Ay\rangle
+=
+(Ax)^tAy
+=
+x^tA^tAy
+=
+x^ty
+=
+\langle x,y\rangle
+\]
+für jedes Paar von Vektoren $x,y\in\mathbb{R}$.
+
+Mit dem Skalarprodukt kann man auch die Matrixelemente einer Matrix
+einer Abbildung $f$ in der Standardbasis bestimmen.
+Das Skalarprodukt $\langle e_i, v\rangle$ ist die Länge der Projektion
+des Vektors $v$ auf die Richtung $e_i$.
+Die Komponenten von $Ae_j$ sind daher $a_{ij}=\langle e_i,f(e_j)\rangle$.
+Die Matrix $A$ der Abbildung $f$ hat also die Matrixelemente
+$a_{ij}=e_i^tAe_j$.
+
+\subsubsection{Die orthogonale Gruppe $\operatorname{O}(n)$}
+Die Matrixelemente von $A^tA$ sind
+$\langle A^tAe_i, e_j\rangle =\langle e_i,e_j\rangle = \delta_{ij}$
+sind diejenigen der Einheitsmatrix,
+die Matrix $A$ erfüllt $AA^t=I$ oder $A^{-1}=A^t$.
+Dies sind die {\em orthogonalen} Matrizen.
+Die Menge $\operatorname{O}(n)$ der isometrischen Abbildungen besteht
+daher aus den Matrizen
+\[
+\operatorname{O}(n)
+=
+\{ A\in M_n(\mathbb{R})\;|\; AA^t=I\}.
+\]
+Die Matrixgleichung $AA^t=I$ liefert $n(n+1)/2$ unabhängige Bedingungen,
+die die orthogonalen Matrizen innerhalb der $n^2$-dimensionalen
+Menge $M_n(\mathbb{R})$ auszeichnen.
+Die Menge $\operatorname{O}(n)$ der orthogonalen Matrizen hat daher
+die Dimension
+\[
+n^2 - \frac{n(n+1)}{2}
+=
+\frac{2n^2-n^2-n}{2}
+=
+\frac{n(n-1)}2.
+\]
+Im Spezialfall $n=2$ ist die Gruppe $O(2)$ eindimensional.
+
+\subsubsection{Tangentialvektoren}
+Die orthogonalen Matrizen bilden eine abgeschlossene Untermannigfaltigkeit
+von $\operatorname{GL}_n(\mathbb{R})$, nicht jede Matrix $M_n(\mathbb{R})$
+kann also ein Tangentialvektor von $O(n)$ sein.
+Um herauszufinden, welche Matrizen als Tangentialvektoren in Frage
+kommen, betrachten wir eine Kurve $\gamma\colon\mathbb{R}\to O(n)$
+von orthogonalen Matrizen mit $\gamma(0)=I$.
+Orthogonal bedeutet
+\[
+\begin{aligned}
+&&
+0
+&=
+\frac{d}{dt}I
+=
+\frac{d}{dt}
+(\gamma(t)^t\gamma(t))
+=
+\dot{\gamma}(t)^t\gamma(t))
++
+\gamma(t)^t\dot{\gamma}(t))
+\\
+&\Rightarrow&
+0
+&=
+\dot{\gamma}(0)^t \cdot I + I\cdot \dot{\gamma(0)}
+=
+\dot{\gamma}(0)^t + \dot{\gamma}(0)
+=
+A^t+A=0
+\\
+&\Rightarrow&
+A^t&=-A
+\end{aligned}
+\]
+Die Tangentialvektoren von $\operatorname{O}(n)$ sind also genau
+die antisymmetrischen Matrizen.
+
+Für $n=2$ sind alle antisymmetrischen Matrizen Vielfache der Matrix
+$J$, wie in Abschnitt~\ref{buch:gruppen:drehungen2d}
+gezeigt wurde.
+
+Für jedes Paar $i<j$ ist die Matrix $A_{ij}$ mit den Matrixelementen
+$(A_{ij})_{ij}=-1$ und $(A_{ij})_{ji}=1$
+antisymmetrisch.
+Für $n=2$ ist $A_{12}=J$.
+Die $n(n-1)/2$ Matrizen $A_{ij}$ bilden eine Basis des
+$n(n-1)/2$-dimensionale Tangentialraumes von $\operatorname{O}(n)$.
+
+Tangentialvektoren in einem anderen Punkt $g\in\operatorname{O}(n)$
+haben die Form $gA$, wobei $A$ eine antisymmetrische Matrix ist.
+Diese Matrizen sind nur noch in speziellen Fällen antisymmetrisch,
+zum Beispiel im Punkt $-I\in\operatorname{O}(n)$.
+
+\subsubsection{Die Gruppe $\operatorname{SO}(n)$}
+Die Gruppe $\operatorname{O}(n)$ enhält auch Isometrien, die
+die Orientierung des Raumes umkehren, wie zum Beispiel Spiegelungen.
+Wegen $\det (AA^t)=\det A\det A^t = (\det A)^2=1$ kann die Determinante
+einer orthogonalen Matrix nur $\pm 1$ sein.
+Orientierungserhaltende Isometrien haben Determinante $1$.
+
+Die Gruppe
+\[
+\operatorname{SO}(n)
+=
+\{A\in\operatorname{O}(n)\;|\; \det A=1\}
+\]
+heisst die {\em spezielle orthogonale Gruppe}.
+Die Dimension der Gruppe $\operatorname{O}(n)$ ist $n(n-1)/2$.
+
+\subsubsection{Die Gruppe $\operatorname{SO}(3)$}
+Die Gruppe $\operatorname{SO}(3)$ der Drehungen des dreidimensionalen
+Raumes hat die Dimension $3(3-1)/2=3$.
+Eine Drehung wird festgelegt durch die Richtung der Drehachse und den
+Drehwinkel.
+Die Richtung der Drehachse ist ein Einheitsvektor, also ein Punkt
+auf der zweidimensionalen Kugel.
+Der Drehwinkel ist der dritte Parameter.
+
+Drehungen mit kleinen Drehwinkeln können zusammengesetzt werden
+aus den Matrizen
+\begin{align*}
+D_{x,\alpha}
+&=
+\begin{pmatrix}
+1&0&0\\
+0&\cos\alpha&-\sin\alpha\\
+0&\sin\alpha& \cos\alpha
+\end{pmatrix},
+&
+D_{y,\beta}
+&=
+\begin{pmatrix}
+ \cos\beta&0&\sin\beta\\
+ 0 &1& 0 \\
+-\sin\beta&0&\cos\beta
+\end{pmatrix},
+&
+D_{z,\gamma}
+&=
+\begin{pmatrix}
+\cos\gamma&-\sin\gamma&0\\
+\sin\gamma& \cos\gamma&0\\
+ 0 & 0 &1
+\end{pmatrix}
+\\
+&=
+e^{A_{23}t}
+&
+&=
+e^{-A_{13}t}
+&
+&=
+e^{A_{21}t}
+\end{align*}
+die Drehungen um die Koordinatenachsen um den Winkel $\alpha$
+beschreiben.
+Auch die Winkel $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ können als die
+drei Koordinaten der Mannigkfaltigkeit $\operatorname{SO}(3)$
+angesehen werden.
+
+%
+% Spezielle lineare Gruppe
+%
+\subsection{Volumenerhaltende Abbildungen und
+die Gruppe $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$
+\label{buch:gruppen:sl}}
+Die Elemente der Gruppe $SO(n)$ erhalten Längen, Winkel und die
+Orientierung, also auch das Volumen.
+Es gibt aber volumenerhaltende Abbildungen, die Längen oder Winkel
+nicht notwendigerweise erhalten.
+Matrizen $A\in M_n(\mathbb{R})$, die das Volumen erhalten,
+haben die Determinante $\det A=1$.
+Wegen $\det(AB)=\det A\det B$ ist das Produkt zweier Matrizen mit
+Determinante $1$ wieder eine solche, sie bilden daher eine Gruppe.
+
+\begin{definition}
+Die volumenerhaltenden Abbildungen bilden die Gruppe
+\[
+\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})
+=
+\{
+A\in M_n(\mathbb{R})
+\;|\;
+\det (A) = 1
+\}
+\]
+sie heisst die {\em spezielle lineare Gruppe}.
+\end{definition}
+
+Wir wollen jetzt die Tangentialvektoren von $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$
+bestimmen.
+Dazu sei $A(t)$ eine Kurve in $\operatorname{SL}_n(\mathbb{R})$
+mit $A(0)=I$.
+Für alle $t\in\mathbb{R}$ ist $\det A(t)=1$, daher ist die Ableitung
+\[
+\frac{d}{dt} \det A(t) = 0
+\quad\text{an der Stelle $t=0$.}
+\]
+Für $n=2$ ist
+\begin{align*}
+A(t)
+&=
+\begin{pmatrix}
+a(t)&b(t)\\
+c(t)&d(t)
+\end{pmatrix}
+\in
+\operatorname{SL}_2(\mathbb{R})
+&&\Rightarrow&
+\frac{d}{dt}
+\det A(t)\bigg|_{t=0}
+&=
+\dot{a}(0) d(0)+a(0)\dot{d}(0)
+-
+\dot{b}(0) c(0)-b(0)\dot{c}(0)
+\\
+&&&&
+&=
+\dot{a}(0) + \dot{d}(0)
+\\
+&&&&
+&=
+\operatorname{Spur}\frac{dA}{dt}.
+\end{align*}
+Dies gilt nicht nur im Falle $n=2$, sondern ganz allgemein für beliebige
+$n\times n$-Matrizen.
+
+\begin{satz}
+Ist $A(t)$ eine differenzierbare Kurve in $\operatorname{SL}_n(\mathbb{B})$
+mit $A(0)=I$, dann ist $\operatorname{Spur}\dot{A}(0)=0$.
+\end{satz}
+
+\begin{proof}[Beweis]
+Die Entwicklung der Determinante von $A$ nach der ersten Spalte ist
+\[
+\det A(t) = \sum_{i=1}^n (-1)^{i+1} a_{i1}(t) \det A_{i1}(t).
+\]
+Die Ableitung nach $t$ ist
+\[
+\frac{d}{dt} \det A(t)
+=
+\sum_{i=1}^n (-1)^{i+1} \dot{a}_{i1}(t) \det A_{i1}(t).
++
+\sum_{i=1}^n (-1)^{i+1} a_{i1}(t) \frac{d}{dt}\det A_{i1}(t).
+\]
+An der Stelle $t=0$ enthält $\det A_{i1}(0)$ für $i\ne 1$
+eine Nullzeile, der einzige nichtverschwindende Term in der ersten
+Summe ist daher der erste.
+In der zweiten Summe ist das einzige nicht verschwindende $a_{i1}(0)$
+jenes für $i=1$, somit ist die Ableitung von $\det A(t)$
+\begin{equation}
+\frac{d}{dt} \det A(t)
+=
+\dot{a}_{11}(t) \det A_{11}(t).
++
+\frac{d}{dt}\det A_{11}(t)
+=
+\dot{a}_{11}(0)
++
+\frac{d}{dt}\det A_{11}(t).
+\label{buch:gruppen:eqn:detspur}
+\end{equation}
+Die Beziehung \eqref{buch:gruppen:eqn:detspur} kann für einen Beweis mit
+vollständiger Induktion verwendet werden.
+
+Die Induktionsverankerung für $n=1$ besagt, dass $\det A(t)=a_{11}(t)$
+genau dann konstant $=1$ ist, wenn $\dot{a}_{11}(0)=\operatorname{Spur}A(0)$
+ist.
+Unter der Induktionsannahme, dass für eine $(n-1)\times(n-1)$-Matrix
+$\tilde{A}(t)$ mit $\tilde{A}(0)=I$ die Ableitung der Determinante
+\[
+\frac{d}{dt}\tilde{A}(0)
+=
+\operatorname{Spur}\dot{\tilde{A}}(0)
+\]
+ist, folgt jetzt mit
+\eqref{buch:gruppen:eqn:detspur}, dass
+\[
+\frac{d}{dt}A(0)
+=
+\dot{a}_{11}(0)
++
+\frac{d}{dt} \det A_{11}(t)\bigg|_{t=0}
+=
+\dot{a}_{11}(0)
++
+\operatorname{Spur}\dot{A}_{11}(0)
+=
+\operatorname{Spur}\dot{A}(0).
+\]
+Damit folgt jetzt die Behauptung für alle $n$.
+\end{proof}
+
+\begin{beispiel}
+Die Tangentialvektoren von $\operatorname{SL}_2(\mathbb{R})$ sind
+die spurlosen Matrizen
+\[
+A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}
+\quad\Rightarrow\quad
+\operatorname{Spur}A=a+d=0
+\quad\Rightarrow\quad
+A=\begin{pmatrix}a&b\\c&-a\end{pmatrix}.
+\]
+Der Tangentialraum ist also dreidimensional.
+Als Basis könnte man die folgenden Vektoren verwenden:
+\begin{align*}
+A
+&=
+\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}
+&&\Rightarrow&
+e^{At}
+&=
+\begin{pmatrix} e^t & 0 \\ 0 & e^{-t} \end{pmatrix}
+\\
+B
+&=
+\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}
+&&\Rightarrow&
+e^{Bt}
+&=
+\begin{pmatrix}
+\cos t & -\sin t\\
+\sin t & \cos t
+\end{pmatrix}
+\\
+C
+&=
+\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}
+&&\Rightarrow&
+e^{Ct}
+&=
+I + Ct + \frac{C^2t^2}{2!} + \frac{C^3t^3}{3!} + \frac{C^4t^4}{4!}+\dots
+\\
+&&&&
+&=
+I\biggl(1 + \frac{t^2}{2!} + \frac{t^4}{4!}+\dots \biggr)
++
+C\biggl(t + \frac{t^3}{3!} + \frac{t^5}{5!}+\dots \biggr)
+\\
+&&&&
+&=
+I\cosh t + C \sinh t
+=
+\begin{pmatrix}
+\cosh t & \sinh t\\
+\sinh t & \cosh t
+\end{pmatrix},
+\end{align*}
+wobei in der Auswertung der Potenzreihe für $e^{Ct}$ verwendet wurde,
+dass $C^2=I$.
+
+Die Matrizen $e^{At}$ Streckungen der einen Koordinatenachse und
+Stauchungen der anderen derart, dass das Volumen erhalten bleibt.
+Die Matrizen $e^{Bt}$ sind Drehmatrizen, die Längen und Winkel und
+damit erst recht den Flächeninhalt erhalten.
+Die Matrizen der Form $e^{Ct}$ haben die Vektoren $(1,\pm1)$ als
+Eigenvektoren:
+\begin{align*}
+\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}
+&\mapsto
+e^{Ct}
+\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}
+=
+(\cosh t +\sinh t)
+\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}
+=
+\biggl(
+\frac{e^t+e^{-t}}2
++
+\frac{e^t-e^{-t}}2
+\biggr)
+\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}
+=
+e^t
+\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}
+\\
+\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}
+&\mapsto
+e^{Ct}
+\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}
+=
+(\cosh t -\sinh t)
+\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}
+=
+\biggl(
+\frac{e^t+e^{-t}}2
+-
+\frac{e^t-e^{-t}}2
+\biggr)
+\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}
+=
+e^{-t}
+\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}
+\end{align*}
+Die Matrizen $e^{Ct}$ strecken die Richtung $(1,1)$ um $e^t$ und
+die dazu orthogonale Richtung $(1,-1)$ um den Faktor $e^{-t}$.
+Dies ist die gegenüber $e^{At}$ um $45^\circ$ verdrehte Situation,
+auch diese Matrizen sind flächenerhaltend.
+\begin{figure}
+\centering
+\includegraphics{chapters/60-gruppen/images/sl2.pdf}
+\caption{Tangentialvektoren und die davon erzeugen Einparameteruntergruppen
+für die Lie-Gruppe $\operatorname{SL}_2(\mathbb{R})$ der flächenerhaltenden
+linearen Abbildungen von $\mathbb{R}^2$.
+In allen drei Fällen wird ein blauer Rhombus mit den Ecken in den
+Standardbasisvektoren von einer Matrix der Einparameteruntergruppe zu
+zum roten Viereck verzerrt, der Flächeninhalt bleibt aber erhalten.
+In den beiden Fällen $B$ und $C$ stellen die grünen Kurven die Bahnen
+der Bilder der Standardbasisvektoren dar.
+\label{buch:gruppen:fig:sl2}}
+\end{figure}%
+\begin{figure}
+\centering
+\includegraphics{chapters/60-gruppen/images/scherungen.pdf}
+\caption{Weitere Matrizen mit Spur $0$ und ihre Wirkung
+Die inken beiden Beispiele $M$ und $N$ sind nilpotente Matrizen,
+die zugehörigen Einparameter-Untergruppen beschreiben Schwerungen.
+\label{buch:gruppen:fig:scherungen}}
+\end{figure}
+\end{beispiel}
+
+%
+% Die Gruppe SU(2)
+%
+\subsection{Die Gruppe $\operatorname{SU}(2)$
+\label{buch:gruppen:su2}}
+Die Menge der Matrizen
+\[
+\operatorname{SU}(2)
+=
+\left\{
+\left.
+A=\begin{pmatrix} a&b\\c&d\end{pmatrix}
+\;\right|\;
+a,b,c,d\in\mathbb{C},\det(A)=1, AA^*=I
+\right\}
+\]
+heisst die {\em spezielle unitäre Gruppe}.
+Wegen $\det(AB)=\det(A)\det(B)=1$ und $(AB)^*AB=B^*A^*AB=B^*B=I$ ist
+$\operatorname{SU}(2)$ eine Untergruppe von $\operatorname{GL}_2(\mathbb{C})$.
+Die Bedingungen $\det A=1$ und $AA^*=I$ schränken die möglichen Werte
+von $a$ und $b$ weiter ein.
+Aus
+\[
+A^*
+=
+\begin{pmatrix}
+\overline{a}&\overline{c}\\
+\overline{b}&\overline{d}
+\end{pmatrix}
+\]
+und den Bedingungen führen die Gleichungen
+\[
+\begin{aligned}
+a\overline{a}+b\overline{b}&=1
+&&\Rightarrow&|a|^2+|b|^2&=1
+\\
+a\overline{c}+b\overline{d}&=0
+&&\Rightarrow&
+\frac{a}{b}&=-\frac{\overline{d}}{\overline{c}}
+\\
+c\overline{a}+d\overline{b}&=0
+&&\Rightarrow&
+\frac{c}{d}&=-\frac{\overline{b}}{\overline{a}}
+\\
+c\overline{c}+d\overline{d}&=1&&\Rightarrow&|c|^2+|d|^2&=1
+\\
+ad-bc&=1
+\end{aligned}
+\]
+Aus der zweiten Gleichung kann man ableiten, dass es eine Zahl $t\in\mathbb{C}$
+gibt derart, dass $c=-t\overline{b}$ und $d=t\overline{a}$.
+Damit wird die Bedingung an die Determinante zu
+\[
+1
+=
+ad-bc = at\overline{a} - b(-t\overline{b})
+=
+t(|a|^2+|b|^2)
+=
+t,
+\]
+also muss die Matrix $A$ die Form haben
+\[
+A
+=
+\begin{pmatrix}
+a&b\\
+-\overline{b}&\overline{a}
+\end{pmatrix}
+\qquad\text{mit}\quad |a|^2+|b|^2=1.
+\]
+Schreibt man $a=a_1+ia_2$ und $b=b_1+ib_2$ mit rellen $a_i$ und $b_i$,
+dann besteht $SU(2)$ aus den Matrizen der Form
+\[
+A=
+\begin{pmatrix}
+ a_1+ia_2&b_1+ib_2\\
+-b_1+ib_2&a_1-ia_2
+\end{pmatrix}
+\]
+mit der zusätzlichen Bedingung
+\[
+|a|^2+|b|^2
+=
+a_1^2 + a_2^2 + b_1^2 + b_2^2 = 1.
+\]
+Die Matrizen von $\operatorname{SU}(2)$ stehen daher in einer
+eins-zu-eins-Beziehung zu den Vektoren $(a_1,a_2,b_1,b_2)\in\mathbb{R}^4$
+eines vierdimensionalen reellen Vektorraums mit Länge $1$.
+Geometrisch betrachtet ist also $\operatorname{SU}(2)$ eine dreidmensionalen
+Kugel, die in einem vierdimensionalen Raum eingebettet ist.
+
+
+
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