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-rw-r--r-- | buch/chapters/60-gruppen/uebungsaufgaben/6001.tex | 466 |
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diff --git a/buch/chapters/60-gruppen/uebungsaufgaben/6001.tex b/buch/chapters/60-gruppen/uebungsaufgaben/6001.tex index 2acf6f6..5c973fd 100644 --- a/buch/chapters/60-gruppen/uebungsaufgaben/6001.tex +++ b/buch/chapters/60-gruppen/uebungsaufgaben/6001.tex @@ -1,233 +1,233 @@ -Eine Drehung eines Vektors $\vec{x}$ der Ebene $\mathbb{R}^2$ -um den Winkel $\alpha$ gefolgt von einer Translation um $\vec{t}$ -ist gegeben durch $D_\alpha\vec{x}+\vec{t}$. -Darauf lässt sich jedoch die Theorie der Matrizengruppen nicht -darauf anwenden, weil die Operation nicht die Form einer Matrixmultiplikation -schreiben. -Die Drehung und Translation kann in eine Matrix zusammengefasst werden, -indem zunächst die Ebene mit -\[ -\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^3 -: -\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix} -\mapsto -\begin{pmatrix}x\\y\\1\end{pmatrix} -\qquad\text{oder in Vektorschreibweise }\qquad -\vec{x}\mapsto\begin{pmatrix}\vec{x}\\1\end{pmatrix} -\] -in den dreidimensionalen Raum eingebettet wird. -Die Drehung und Verschiebung kann damit in der Form -\[ -\begin{pmatrix}D_\alpha\vec{x}+\vec{t}\\1 -\end{pmatrix} -= -\begin{pmatrix}D_\alpha&\vec{t}\\0&1\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}\vec{x}\\1\end{pmatrix} -\] -als Matrizenoperation geschrieben werden. -Die Gruppe der Drehungen und Verschiebungen der Ebene ist daher -die Gruppe -\[ -G -= -\left\{ -\left. -A -= -\begin{pmatrix} -D_\alpha&\vec{t}\\ -0&1 -\end{pmatrix} -= -\begin{pmatrix} -\cos\alpha & -\sin\alpha & t_x \\ -\sin\alpha & \cos\alpha & t_y \\ - 0 & 0 & 1 -\end{pmatrix} -\; -\right| -\; -\alpha\in\mathbb{R},\vec{t}\in\mathbb{R}^2 -\right\} -\] -Wir kürzen die Elemente von $G$ auch als $(\alpha,\vec{t})$ ab. -\begin{teilaufgaben} -\item -Verifizieren Sie, dass das Produkt zweier solcher Matrizen -$(\alpha_1,\vec{t}_1)$ und $(\alpha_2,\vec{t}_2)$ -wieder die selbe Form $(\alpha,\vec{t})$ hat und berechnen Sie -$\alpha$ und $\vec{t}_j$. -\item -Bestimmen Sie das inverse Element zu $(\alpha,\vec{t}) \in G$. -\item -Die Elemente der Gruppe $G$ sind parametrisiert durch den Winkel $\alpha$ -und die Translationskomponenten $t_x$ und $t_y$. -Rechnen Sie nach, dass -\[ -\alpha\mapsto \begin{pmatrix} D_{\alpha}&0\\0&1\end{pmatrix}, -\quad -t_x\mapsto -\begin{pmatrix} I&\begin{pmatrix}t_x\\0\end{pmatrix}\\0&1\end{pmatrix}, -\qquad -t_y\mapsto -\begin{pmatrix} I&\begin{pmatrix}0\\t_y\end{pmatrix}\\0&1\end{pmatrix} -\] -Einparameteruntergruppen von $G$ sind. -\item -Berechnen Sie die Tangentialvektoren $D$, $X$ und $Y$, -die zu den Einparameteruntergruppen von c) gehören. -\item -Berechnen Sie die Lie-Klammer für alle Paare von Tangentialvektoren. -\end{teilaufgaben} - -\begin{loesung} -\begin{teilaufgaben} -\item -Die Wirkung beider Gruppenelemente auf dem Vektor $\vec{x}$ ist -\begin{align*} -\begin{pmatrix}D_{\alpha_1}&\vec{t}_1\\0&1\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}D_{\alpha_2}&\vec{t}_2\\0&1\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}\vec{x}\\1\end{pmatrix} -&= -\begin{pmatrix}D_{\alpha_1}&\vec{t}_1\\0&1\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}D_{\alpha_2}\vec{x}+\vec{t}_2\\1\end{pmatrix} -= -\begin{pmatrix} -D_{\alpha_1}(D_{\alpha_2}\vec{x}+\vec{t}_2)+\vec{t}_1\\1 -\end{pmatrix} -\\ -&= -\begin{pmatrix} -D_{\alpha_1}D_{\alpha_2}\vec{x} + D_{\alpha_1}\vec{t}_2+\vec{t}_1\\1 -\end{pmatrix} -= -\begin{pmatrix} -D_{\alpha_1+\alpha_2}&D_{\alpha_1}\vec{t}_2+\vec{t}_1\\ -0&1 -\end{pmatrix} -\begin{pmatrix}\vec{x}\\1\end{pmatrix}. -\end{align*} -Das Produkt in der Gruppe $G$ kann daher -\[ -(\alpha_1,\vec{t}_1) (\alpha_2,\vec{t}_2) -= -(\alpha_1+\alpha_2,\vec{t}_1+D_{\alpha_1}\vec{t}_2) -\] -geschrieben werden. -\item -Die Inverse der Abbildung $\vec{x}\mapsto \vec{y}=D_\alpha\vec{x}+\vec{t}$ -kann gefunden werden, indem man auf der rechten Seite nach $\vec{x}$ -auflöst: -\begin{align*} -\vec{y}&=D_\alpha\vec{x}+\vec{t} -&&\Rightarrow& -D_{\alpha}^{-1}( \vec{y}-\vec{t}) &= \vec{x} -\\ -&&&& \vec{x} &= D_{-\alpha}\vec{y} + (-D_{-\alpha}\vec{t}) -\end{align*} -Die Inverse von $(\alpha,\vec{t})$ ist also $(-\alpha,-D_{-\alpha}\vec{t})$. -\item -Da $D_\alpha$ eine Einparameteruntergruppe von $\operatorname{SO}(2)$ ist, -ist $\alpha\mapsto (D_\alpha,0)$ ebenfalls eine Einparameteruntergruppe. -Für die beiden anderen gilt -\[ -\biggl(I,\begin{pmatrix}t_{x1}\\0\end{pmatrix}\biggr) -\biggl(I,\begin{pmatrix}t_{x2}\\0\end{pmatrix}\biggr) -= -\biggl(I,\begin{pmatrix}t_{x1}+t_{x2}\\0\end{pmatrix}\biggr) -\quad\text{und}\quad -\biggl(I,\begin{pmatrix}0\\t_{y1}\end{pmatrix}\biggr) -\biggl(I,\begin{pmatrix}0\\t_{y2}\end{pmatrix}\biggr) -= -\biggl(I,\begin{pmatrix}0\\t_{y1}+t_{y2}\end{pmatrix}\biggr), -\] -also sind dies auch Einparameteruntergruppen. -\item -Die Ableitungen sind -\begin{align*} -D -&= -\frac{d}{d\alpha}\begin{pmatrix}D_\alpha&0\\0&1\end{pmatrix}\bigg|_{\alpha=0} -= -\begin{pmatrix}J&0\\0&0\end{pmatrix} -= -\begin{pmatrix} -0&-1&0\\ -1& 0&0\\ -0& 0&0 -\end{pmatrix} -\\ -X -&= -\frac{d}{dt_x} -\left. -\begin{pmatrix}I&\begin{pmatrix}t_x\\0\end{pmatrix}\\0&1\end{pmatrix} -\right|_{t_x=0} -= -\begin{pmatrix} -0&0&1\\ -0&0&0\\ -0&0&0 -\end{pmatrix} -& -Y -&= -\frac{d}{dt_y} -\left. -\begin{pmatrix}I&\begin{pmatrix}0\\t_y\end{pmatrix}\\0&1\end{pmatrix} -\right|_{t_y=0} -= -\begin{pmatrix} -0&0&0\\ -0&0&1\\ -0&0&0 -\end{pmatrix} -\end{align*} -\item -Die Vertauschungsrelationen sind -\begin{align*} -[D,X] -&= -DX-XD -= -\begin{pmatrix} -0&0&0\\ -0&0&1\\ -0&0&0 -\end{pmatrix} -- -\begin{pmatrix} -0&0&0\\ -0&0&0\\ -0&0&0 -\end{pmatrix} -= -Y -\\ -[D,Y] -&= -DY-YD -= -\begin{pmatrix} -0&0&-1\\ -0&0&0\\ -0&0&0 -\end{pmatrix} -- -\begin{pmatrix} -0&0&0\\ -0&0&0\\ -0&0&0 -\end{pmatrix} -= --X -\\ -[X,Y] -&= -XY-YX -= -0-0=0 -\qedhere -\end{align*} -\end{teilaufgaben} -\end{loesung} +Eine Drehung eines Vektors $\vec{x}$ der Ebene $\mathbb{R}^2$
+um den Winkel $\alpha$ gefolgt von einer Translation um $\vec{t}$
+ist gegeben durch $D_\alpha\vec{x}+\vec{t}$.
+Darauf lässt sich jedoch die Theorie der Matrizengruppen nicht
+darauf anwenden, weil die Operation nicht die Form einer Matrixmultiplikation
+schreiben.
+Die Drehung und Translation kann in eine Matrix zusammengefasst werden,
+indem zunächst die Ebene mit
+\[
+\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^3
+:
+\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}
+\mapsto
+\begin{pmatrix}x\\y\\1\end{pmatrix}
+\qquad\text{oder in Vektorschreibweise }\qquad
+\vec{x}\mapsto\begin{pmatrix}\vec{x}\\1\end{pmatrix}
+\]
+in den dreidimensionalen Raum eingebettet wird.
+Die Drehung und Verschiebung kann damit in der Form
+\[
+\begin{pmatrix}D_\alpha\vec{x}+\vec{t}\\1
+\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}D_\alpha&\vec{t}\\0&1\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}\vec{x}\\1\end{pmatrix}
+\]
+als Matrizenoperation geschrieben werden.
+Die Gruppe der Drehungen und Verschiebungen der Ebene ist daher
+die Gruppe
+\[
+G
+=
+\left\{
+\left.
+A
+=
+\begin{pmatrix}
+D_\alpha&\vec{t}\\
+0&1
+\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+\cos\alpha & -\sin\alpha & t_x \\
+\sin\alpha & \cos\alpha & t_y \\
+ 0 & 0 & 1
+\end{pmatrix}
+\;
+\right|
+\;
+\alpha\in\mathbb{R},\vec{t}\in\mathbb{R}^2
+\right\}
+\]
+Wir kürzen die Elemente von $G$ auch als $(\alpha,\vec{t})$ ab.
+\begin{teilaufgaben}
+\item
+Verifizieren Sie, dass das Produkt zweier solcher Matrizen
+$(\alpha_1,\vec{t}_1)$ und $(\alpha_2,\vec{t}_2)$
+wieder die selbe Form $(\alpha,\vec{t})$ hat und berechnen Sie
+$\alpha$ und $\vec{t}_j$.
+\item
+Bestimmen Sie das inverse Element zu $(\alpha,\vec{t}) \in G$.
+\item
+Die Elemente der Gruppe $G$ sind parametrisiert durch den Winkel $\alpha$
+und die Translationskomponenten $t_x$ und $t_y$.
+Rechnen Sie nach, dass
+\[
+\alpha\mapsto \begin{pmatrix} D_{\alpha}&0\\0&1\end{pmatrix},
+\quad
+t_x\mapsto
+\begin{pmatrix} I&\begin{pmatrix}t_x\\0\end{pmatrix}\\0&1\end{pmatrix},
+\qquad
+t_y\mapsto
+\begin{pmatrix} I&\begin{pmatrix}0\\t_y\end{pmatrix}\\0&1\end{pmatrix}
+\]
+Einparameteruntergruppen von $G$ sind.
+\item
+Berechnen Sie die Tangentialvektoren $D$, $X$ und $Y$,
+die zu den Einparameteruntergruppen von c) gehören.
+\item
+Berechnen Sie die Lie-Klammer für alle Paare von Tangentialvektoren.
+\end{teilaufgaben}
+
+\begin{loesung}
+\begin{teilaufgaben}
+\item
+Die Wirkung beider Gruppenelemente auf dem Vektor $\vec{x}$ ist
+\begin{align*}
+\begin{pmatrix}D_{\alpha_1}&\vec{t}_1\\0&1\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}D_{\alpha_2}&\vec{t}_2\\0&1\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}\vec{x}\\1\end{pmatrix}
+&=
+\begin{pmatrix}D_{\alpha_1}&\vec{t}_1\\0&1\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}D_{\alpha_2}\vec{x}+\vec{t}_2\\1\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+D_{\alpha_1}(D_{\alpha_2}\vec{x}+\vec{t}_2)+\vec{t}_1\\1
+\end{pmatrix}
+\\
+&=
+\begin{pmatrix}
+D_{\alpha_1}D_{\alpha_2}\vec{x} + D_{\alpha_1}\vec{t}_2+\vec{t}_1\\1
+\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+D_{\alpha_1+\alpha_2}&D_{\alpha_1}\vec{t}_2+\vec{t}_1\\
+0&1
+\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}\vec{x}\\1\end{pmatrix}.
+\end{align*}
+Das Produkt in der Gruppe $G$ kann daher
+\[
+(\alpha_1,\vec{t}_1) (\alpha_2,\vec{t}_2)
+=
+(\alpha_1+\alpha_2,\vec{t}_1+D_{\alpha_1}\vec{t}_2)
+\]
+geschrieben werden.
+\item
+Die Inverse der Abbildung $\vec{x}\mapsto \vec{y}=D_\alpha\vec{x}+\vec{t}$
+kann gefunden werden, indem man auf der rechten Seite nach $\vec{x}$
+auflöst:
+\begin{align*}
+\vec{y}&=D_\alpha\vec{x}+\vec{t}
+&&\Rightarrow&
+D_{\alpha}^{-1}( \vec{y}-\vec{t}) &= \vec{x}
+\\
+&&&& \vec{x} &= D_{-\alpha}\vec{y} + (-D_{-\alpha}\vec{t})
+\end{align*}
+Die Inverse von $(\alpha,\vec{t})$ ist also $(-\alpha,-D_{-\alpha}\vec{t})$.
+\item
+Da $D_\alpha$ eine Einparameteruntergruppe von $\operatorname{SO}(2)$ ist,
+ist $\alpha\mapsto (D_\alpha,0)$ ebenfalls eine Einparameteruntergruppe.
+Für die beiden anderen gilt
+\[
+\biggl(I,\begin{pmatrix}t_{x1}\\0\end{pmatrix}\biggr)
+\biggl(I,\begin{pmatrix}t_{x2}\\0\end{pmatrix}\biggr)
+=
+\biggl(I,\begin{pmatrix}t_{x1}+t_{x2}\\0\end{pmatrix}\biggr)
+\quad\text{und}\quad
+\biggl(I,\begin{pmatrix}0\\t_{y1}\end{pmatrix}\biggr)
+\biggl(I,\begin{pmatrix}0\\t_{y2}\end{pmatrix}\biggr)
+=
+\biggl(I,\begin{pmatrix}0\\t_{y1}+t_{y2}\end{pmatrix}\biggr),
+\]
+also sind dies auch Einparameteruntergruppen.
+\item
+Die Ableitungen sind
+\begin{align*}
+D
+&=
+\frac{d}{d\alpha}\begin{pmatrix}D_\alpha&0\\0&1\end{pmatrix}\bigg|_{\alpha=0}
+=
+\begin{pmatrix}J&0\\0&0\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+0&-1&0\\
+1& 0&0\\
+0& 0&0
+\end{pmatrix}
+\\
+X
+&=
+\frac{d}{dt_x}
+\left.
+\begin{pmatrix}I&\begin{pmatrix}t_x\\0\end{pmatrix}\\0&1\end{pmatrix}
+\right|_{t_x=0}
+=
+\begin{pmatrix}
+0&0&1\\
+0&0&0\\
+0&0&0
+\end{pmatrix}
+&
+Y
+&=
+\frac{d}{dt_y}
+\left.
+\begin{pmatrix}I&\begin{pmatrix}0\\t_y\end{pmatrix}\\0&1\end{pmatrix}
+\right|_{t_y=0}
+=
+\begin{pmatrix}
+0&0&0\\
+0&0&1\\
+0&0&0
+\end{pmatrix}
+\end{align*}
+\item
+Die Vertauschungsrelationen sind
+\begin{align*}
+[D,X]
+&=
+DX-XD
+=
+\begin{pmatrix}
+0&0&0\\
+0&0&1\\
+0&0&0
+\end{pmatrix}
+-
+\begin{pmatrix}
+0&0&0\\
+0&0&0\\
+0&0&0
+\end{pmatrix}
+=
+Y
+\\
+[D,Y]
+&=
+DY-YD
+=
+\begin{pmatrix}
+0&0&-1\\
+0&0&0\\
+0&0&0
+\end{pmatrix}
+-
+\begin{pmatrix}
+0&0&0\\
+0&0&0\\
+0&0&0
+\end{pmatrix}
+=
+-X
+\\
+[X,Y]
+&=
+XY-YX
+=
+0-0=0
+\qedhere
+\end{align*}
+\end{teilaufgaben}
+\end{loesung}
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