李群与李代数课程教学大纲
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数学中的李群与李代数李群与李代数在数学中扮演着重要的角色。
本文将对李群与李代数的基本概念进行介绍,并讨论它们之间的关系。
一、李群(Lie Group)李群是一种同时具有群结构和流形结构的数学对象。
群结构指的是李群上定义了乘法运算,同时存在单位元、逆元等性质。
而流形结构则是指李群在每个点附近都具有局部同胚于欧几里得空间的性质。
举个简单的例子,旋转矩阵群SO(3)就是一个李群。
它由所有的旋转矩阵组成,而旋转矩阵的乘法运算便构成了群运算。
此外,SO(3)也是一个三维实流形,因为它在每个点附近都可以通过欧几里得空间进行局部的描述。
李群的定义使得我们可以在其上定义微分结构,进而研究其微分几何性质。
比如,我们可以定义李群上的切空间和切丛,进而研究其在每个点上的切向量和切空间的结构。
二、李代数(Lie Algebra)李代数是李群的切空间上的代数结构。
它通常用于描述李群的局部性质。
李代数由向量空间和李括号这两个部分构成。
向量空间是李代数的基础,它的元素被称为李代数的生成元或向量场。
李代数的生成元通常用一组基向量来表示,这些向量之间通过线性组合构成一个线性空间。
李括号则定义了李代数中向量场之间的运算。
对于两个向量场X和Y,李括号[X, Y]被定义为它们的Lie导数的对易子。
李代数的一个经典例子是三维旋转群的李代数so(3)。
它由三个无限小旋转生成元构成,通常记作J₁, J₂和J₃。
它们之间的李括号满足以下关系:[J₁, J₂] = J₃, [J₂, J₃] = J₁, [J₃, J₁] = J₂。
三、李群与李代数的关系李群与李代数之间存在着密切的联系。
事实上,对于任意一个李群,都可以构造出与之对应的李代数。
这个李代数被称为李群的切代数,它反映了李群局部性质的信息。
具体地,李群的切代数可以通过计算李群上的左不变矢量场的李括号来得到。
左不变矢量场在李群的每个点上都是不变的,因此它在整个李群上构成了一个矢量场。
反过来,给定一个李代数,也可以构造出与之对应的李群。
第4章李群李代数⼀、概述1. 李群和李代数的核⼼思想封结⼳逆法则;法则;可以理解为专门⽤于矩阵旋转的东西,符合封结⼳逆1. 可以理解为专门⽤于矩阵旋转的东西,符合,李代数可以理解为旋转向量旋转向量;;李群可以理解为旋转矩阵旋转矩阵,李代数可以理解为2. 李群可以理解为3. 李群是连续群,李代数可以表出李群的导数,所以李代数表⽰的是李群的局部性质;4. 进⽽我们可以理解为:旋转向量表达了旋转矩阵的局部(旋转发⽣那⼀瞬间的领域内)性质;5. 由拉格朗⽇中值定理可知:导数控制函数。
李代数控制李群,\phi控制R;【1】也就是说想要估计出函数值,我们可以研究该函数的导数,⽤来描述某个点领域内性质。
故⽽我们需要建⽴对李群的求导模型,通过分析导数的性质来估计出相机在这⼀时刻(领域内)的位姿。
但是我们知道群是指只有⼀个运算的集合(我们选择矩阵乘法),所以李群不对加法封闭【2】,但是我们知道李代数是建⽴在向量空间上的,⽀持加法运算。
所以我们需要⼀种让李群映射到李代数的机制,然后通过对李代数求导,求出李群的导数。
不过,对李代数求导后的结果⾮常复杂,所以我们需要寻找另外⼀种求导⽅式【3】,这就是我们接下来所要介绍的内容。
【注】【1】:某个名牌⼤学考研的复试题——你知道导数的作⽤是什么吗?【2】:李群也是⼀种群。
甭跟我扯什么鳄鱼不是鱼、⽇本⼈不是⼈。
【3】:对谁求导不重要,因为我们总可以通过这个导数控制相同的函数。
2. 李群的两种求导模型(都是映射到了李代数空间)1. BCH公式线性化(将李群的变化与李代数的变化联系起来);;(复杂)求导模型;(复杂)2. 对李代数求导的对李代数求导的求导模型1. 需要求出左右雅可⽐矩阵的逆;扰动模型;(精简);(精简)对微扰动求导的扰动模型3. 对微扰动求导的1. 不需要求出左右雅可⽐矩阵的逆;3. 这两种求导模型都是会有误差存在的4. 李群和李代数的基础符号1. 特殊正交群SO(3),特殊欧式群SE(3);2. 特殊正交群上的李代数\mathfrak{so}(3),这⾥我们具象化为三维\phi向量或者反对称阵\widehat{\phi};3. 特殊欧式群上的李代数\mathfrak{se}(3),这⾥我们具象化为六维\xi向量或者四维⽅阵\widehat{\xi};\rho表⽰三维空间中的平移,\phi表⽰三维空间中的旋转。
李群讲义课程设计课程目标本课程旨在通过讲授李群在数学中的应用,使学生们对李群有一个全面深入的了解,学习李群在数学、物理、化学等领域的应用,以及提高其抽象思维和解决问题的能力。
适用对象本课程适合数学、物理、化学、计算机等相关专业的本科生或研究生。
学习本课程的学生应具备扎实的高等数学、线性代数和微积分等基础知识。
教学内容第一章李群的基本概念1.李群的定义及基本性质2.实数群、矩阵群和置换群3.子群、商群和同态4.李代数及其基本性质第二章李群的表示理论1.李群表示及其基本性质2.有限维李群表示3.特殊李群SU(2)的有限维表示4.非紧李群的魏尔群表示第三章李群在物理中的应用1.经典力学中李群的应用2.量子力学中李群的应用3.场论中李群的应用4.粒子物理学中的李群表示教学方法本课程采用讲授、讨论和研究等多种教学方法相结合。
教师将通过讲授李群的基本概念、表示理论和在物理中的应用等知识点,引导学生逐步认识李群的概念和性质,同时引导学生积极参与小组讨论、课堂表述和文献研究,以此提高其学术水平。
考核方式本课程的考核方式包括期末考试、小组讨论和作业三个部分,其中期末考试占总成绩的60%,小组讨论和作业各占20%。
期末考试将涵盖本课程的全部内容,包括基本概念、表示理论和在物理中的应用等知识点,小组讨论和作业则旨在检验学生们在课程中所获得的知识和能力,以及对李群的理解和应用能力的提高。
参考文献1.Weyl, Hermann. The theory of groups and quantum mechanics.New York: Dover Publ., 1950.2.Kirillov, A. A. Elements of the theory of representations.New York: Springer, 1976.3.Hall, Brian C. Lie groups, Lie algebras, and representations:An elementary introduction. New York: Springer, 2003.4.Georgi, Howard. Lie algebras in particle physics. New York:Benjamin/Cummings Pub. Co., 1982.以上为本课程参考文献,供学生参考。
视觉⼗四讲:第四讲_李群与李代数李群与李代数感觉SLAM⼗四讲真的是深⼊浅出。
第四讲是李群和李代数,为什么要引⼊这个概念呢? 在SLAM中位姿是未知的,我们需要解决“什么样的相机位姿最符合当前观测数据”,⼀种典型的⽅式是把它构建成⼀个优化问题,求解最优的R,t,使误差最⼩化。
但旋转矩阵⾃⾝带有约束(正交且⾏列式为1),给优化带来困难。
通过李群李代数可以将问题转化为⽆约束的优化问题。
4.1李群李代数基础例:特殊正交群SO(3)和特殊欧式群SE(3)对加法不封闭,对乘法封闭对于这种只有⼀个运算的集合,称之为群群:是⼀种集合加上⼀种运算的代数结构。
群上运算的条件如下:李群是指具有连续(光滑)性质的群。
“想象⼀个刚体连续在空间中运动”---李群、通过旋转矩阵引出李代数。
过程简单总结⼀下。
主要是从 1. 旋转矩阵的正交性RRT=I 出发,在实际中相机位姿随时间变化,将其构造为时间t的函数 R(t)R(t)T=I .2.然后两边对时间求导,得出R(t)'R(t)T 是反对称矩阵,就可⽤⼀个向量表⽰。
3.最后把R(t)在t=0处泰勒展开,解微分⽅程,得出旋转矩阵可以由exp(Φ t)计算出。
这个Φ描述了R在局部的导数关系,这就是SO(3)上的李代数。
->->两边求导 -> -> -> 两边右乘R(t) -> -> 泰勒展开。
设R(0)=I -> ->-> 解微分⽅程 ->李代数的定义 李代数由⼀个集合v,⼀个数域F和⼀个⼆元运算[,]组成:李代数so(3)其与so(3)的关系有指数映射给定R=exp(φ^)李代数 se(3)4.2指数与对数映射具体推导略。
主要关注与SLAM利⽤的公式。
推出SO(3)的指数映射指数映射即为罗德⾥格斯公式但是指数映射不是单射,可能存在多个李代数中的元素对应到同⼀个李群。
但我们把旋转⾓度固定在-+π之间就是⼀⼀对应的。
物理学中的李代数与李群
李代数和李群是数学中重要的概念,在物理学中也有广泛的应用。
在本文中,我们将探讨物理学中的李代数和李群。
李代数是指一个向量空间上的一个Lie代数。
Lie代数是一组定义在一个向量空间上的Lie括号运算,而Lie括号运算是两个向量的交叉积,表示它们之间的代数关系。
比如,空间中的三个相互垂直的单位向量i,j,k定义了一个Lie代数,其中,[i,j] = k,[j,k] = i,[k,i] = j。
李群是指一个连续的群,其中群上的乘法是一个光滑变换。
举例而言,一个旋转矩阵群定义了一个李群,而一个李代数就是其导数在单位元上的值。
因此,李代数和李群是一一对应的。
在物理学中,李代数和李群是非常有用的工具。
它们可以用来描述物理系统的对称性和守恒量。
例如,电磁场的变换可以用李群来描述,而李代数可以用来计算两个对称变换间的代数关系。
此外,在量子力学中,李代数也被用来描述对称性以及量子态的演化。
一个著名的李群是洛伦茨群,它描述了洛伦兹变换的对称性。
由于洛伦兹变换涉及到时间和空间的变换,因此洛伦茨群可以帮
助我们理解相对论。
这个群的李代数是Poincare代数。
在标准模
型中,SU(3)群描述了强相互作用,SU(2)群描述了弱相互作用,
而U(1)群描述了电磁相互作用。
这些群和李代数的使用帮助了物
理学家们更好地理解自然界。
总之,李代数和李群是数学中和物理学中非常重要的概念。
它
们被广泛应用于对称性、守恒量和量子状态的描述。
在物理学中,李代数和李群是不可或缺的工具。