MAT Grublegruppen Notat 11

Like dokumenter
MAT Grublegruppen Notat 10

MAT Grublegruppen Notat 9

Diagonalisering. Kapittel 10

MAT Grublegruppen Notat 6

Oppgaver MAT2500. Fredrik Meyer. 29. august 2014

Oppgave 1 (25 %) - Flervalgsoppgaver

Matriser. Kapittel 4. Definisjoner og notasjon

Oppgaver MAT2500 høst 2011

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

16 Ortogonal diagonalisering

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

6 Determinanter TMA4110 høsten 2018

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

Matematikk 1 Første deleksamen. Løsningsforslag

=,,,,, = det( A) a a a a a a a a a a + a a 0 1. a11 a12 a22 a12 a11 a22 a12 a21 a11a12 + a12 a11

LO510D Lin.Alg. m/graf. anv. Våren 2005

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

Egenverdier og egenvektorer

Eksamen i fag FY8104 Symmetri i fysikken Fredag 7. desember 2007 Tid:

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

Vær OBS på at svarene på mange av oppgavene kan skrives på flere ulike måter!

Løsningsforslag. og B =

Løysingsforslag (Skisse) Eksamen FY3452 Gravitasjon og Kosmologi Våren 2007

Karakterer. Kapittel Homomorfier av grupper. 8.2 Representasjoner

Litt GRUPPETEORI for Fys4170

Komplekse tall. Kapittel 2. Den imaginære enheten. Operasjoner på komplekse tall

Anvendt Robotteknikk Konte Sommer 2019 EKSAMEN HARIS JASAREVIC

Lineær Algebra og Vektorrom. Eivind Eriksen. Høgskolen i Oslo, Avdeling for Ingeniørutdanning

R: 0, , = 6000 D : 0, , = 4000 La v n = angi fordelingen etter n år (dvs. a b n stemmer for R og

UNIVERSITETET I OSLO

MA1201 Lineær algebra og geometri Løsningsforslag for eksamen gitt 3. desember 2007

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

Eksamen i TMA4190 Mangfoldigheter fredag 30 mai, 2014

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

UNIVERSITETET I OSLO

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA1202/MA6202 VÅR 2010

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

MAUMAT644 ALGEBRA vår 2016 Første samling Runar Ile

Løsninger for eksamen i MAT Lineær algebra og M102 - Lineær algebra, fredag 28. mai 2004, Oppgave 1. M s = = 1 2 (cofm 2) T.

Løsningsforslag. Oppgave 1 Gitt matrisene ] [ og C = A = 4 1 B = 2 1 3

Vektorrom. Kapittel 7. Hva kan vi gjøre med vektorer?

Lineærtransformasjoner

Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling

Gauss-Jordan eliminasjon; redusert echelonform. Forelesning, TMA4110 Fredag 18/9. Reduserte echelonmatriser. Reduserte echelonmatriser (forts.

Brukerkurs i Gauss feilforplantning

Avdeling for lærerutdanning. Lineær algebra. for allmennlærerutdanningen. Inger Christin Borge

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

Determinanter. Kapittel 6. Determinanter for 2 2-matriser. La oss beregne arealet av dette parallellogrammet. Vi tegner på noen hjelpelinjer:

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag Side 1 av 7 L SNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I SIF5009 MATEMATIKK 3 Bokmål Man

MAT Grublegruppen Uke 37

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

Oppgaver MAT2500. Fredrik Meyer. 29. september 2014

MAT Grublegruppen Notat 8

TMA4105 Matematikk 2 vår 2013

4.1 Vektorrom og underrom

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

Mer om kvadratiske matriser

TDT4195 Bildeteknikk

Vektorligninger. Kapittel 3. Vektorregning

Lineære likningssystemer og matriser

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

4.1 Vektorrom og underrom

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

Innlevering BYPE2000 Matematikk 2000 HIOA Obligatorisk innlevering 3 Innleveringsfrist Torsdag 24. april 2014 før forelesningen Antall oppgaver: 9

7.1 forts. Schur triangularisering og spektralteoremet

Grublegruppe 19. sept. 2011: Algebra I

Formelsamling Kalkulus

Løsningsforslag øving 6

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

4.1 Vektorrom og underrom

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Tidligere eksamensoppgaver

LØSNINGSFORSLAG. Skriv følgende komplekse tall både på kartesisk form som a + bi og på polar form som re iθ (r 0 og 0 θ < 2π). a) 2 + 3i.

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser våren 2009.

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 25/9

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

UNIVERSITET I BERGEN

Oppgave 14 til 9. desember: I polynomiringen K[x, y] i de to variable x og y over kroppen K definerer vi undermengdene:

5.8 Iterative estimater på egenverdier

6.4 Gram-Schmidt prosessen

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

Mer om kvadratiske matriser

Komplekse tall og trigonometri

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

Obligatorisk innlevering 3 - MA 109, Fasit

Løsningsforslag B = 1 3 A + B, AB, BA, AB BA, B 2, B 3 C + D, CD, DC, AC, CB. det(a), det(b)

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

OPPGAVER FOR FORUM

MA1201/MA6201 Høsten 2016

Dagens mål. Det matematiske fundamentet til den diskrete Fourier-transformen Supplement til forelesning 8 INF Digital bildebehandling

Matematikk og fysikk RF3100

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

Transkript:

MAT1100 - Grublegruppen Notat 11 Jørgen O. Lye Matrisegrupper Den store gruppen vi skal se på er GL(n, K) = {inverterbare n n matriser med koesienter i K} Forkortelsen står for den generelle lineære gruppen (general linear group) I denne gruppen er det undergrupper vi er interessert i. Som vanlig er K enten R eller C. Det har egentlig en del konsekvenser hva man velger, men oppsettet ser likt ut. Vi ser på en del eksempler under. SL Siden GL stod for den generelle lineære gruppen kan man lure på hva den spesielle er. Det er ikke så vanskelig: SL(n, K) = {A GL(nK) det(a) = 1} Geometrisk er dette alle lineæravbildninger som ikke endrer volum. De ortogonale gruppene og O(n, K) = {A GL(n, K) A T 1} SO(n, K) = {A O(n, K) det(a) = 1} Den første kalles den ortogonale gruppen (siden slike matriser kalles ortogonale), mens SO kalles den spesielle ortogonale gruppen. Vi har dermed SO(n, K) O(n, K) GL(n, K) 1

La oss se litt på hva disse gruppene betyr geometrisk og hvor de kom fra. Det er best å la K = R akkurat her, siden det er der disse hører hjemme, selv om denisjoner som følger egentlig virker for C. Husk at for x, y R n så er indreproduktet/prikkproduktet gitt ved x y = x T y. Hvis man så endrer alle vektorene i R n med en lineæravbildning (man ganger med en matrise), altså man sender x Ax, så vil man endre dette indreproduktet til (Ax) T (Ay) = x T A T Ay. Dersom man krever av A at den ikke skal endre dette indreproduktet, så må man ha x T A T Ay = x T y for alle x, y R n. Det kan bare gå dersom A O(n, R). En vanlig måte å denere gruppen O(n, R) er derfor gruppen av alle matriser som ikke endrer indreproduktet til R n. Geometrisk er det faktisk slik at O(n, R) er alle rotasjoner og alle speilinger i R n, mens SO(n, R) er alle rotasjonene. I 2 dimensjoner, n = 2, så er SO(2R) ganske grei. Da kan alle ting skrives som ( ) cos θ sin θ sin θ cos θ Dette er en rotasjon med θ mot klokken, som man kan sjekke ved å tegne litt. For å se at for n = 2, så må alle matriser kunne skrives slik, kan vi regne litt. Generelt sett må man kunne skrive ( ) a b c d Så kommer kravene. A T 1 = ( ) ( ) a c a b = b d c d ( ) 1 0 0 1 Ganger man ut dette får vi ligningene a 2 + c 2 = 1 ab + cd = 0 b 2 + d 2 = 1 I tillegg kommer det(a) = ad bc = 1. Hvis man velger å skrive a = cos θ, c = sin θ motivert av den første ligningen, og b = sin φ, d = cos φ motivert av den siste ligningen, så vil ligningen i midten gi cos θ sin φ + sin θ cos φ = sin(φ + θ) = 0 Denne har en løsninger φ = θ + nπ. Som gir (bruk at sin(nπ θ) = ( 1) n+1 sin θ og cos(nπ θ) = ( 1) n cos θ) ( ) cos θ ( 1) n+1 sin θ sin θ ( 1) n cos θ 2

Dette er hvordan en generell matrise i O(2, R) ser ut. Så må vi bruke betingelsen som gjør SO(2, R) spesiell, nemlig det(a) = 1 ( 1) n cos 2 θ + ( 1) n sin θ = 1 Som medfører at n = 0 (eller et partall om man vil). Så A kan faktisk skrives på den formen jeg påstår. Man kan gruble litt over hvorfor ting i O(2, R)\SO(2, R) er speilinger. Man kan også svare på spørsmålet: er dette en gruppe? Dvs bare speilingene. Dette spørsmålet gjelder i generell dimensjon. Hint: merk at speilingene må ha det(a) = 1, siden det(a T A) = det(a) 2 = 1, så det(a) = ±1 og alle det(a) = 1-dyr er rotasjoner. Siden vi har SO(2, R) på plass er ikke SO(3, R) mye verre. Velg en av de 3 aksene, x, y eller z. En rotasjon om denne aksen er bare en 2-dimensjonal rotasjon. Hvis man roterer om x-aksen f.eks så skal ikke x-aksen røres. Jeg påstår derfor at man kan skrive 1 0 0 A x = 0 cos θ sin θ 0 sin θ cos θ For en rotasjon om y-aksen skriver man cos θ 0 sin θ A y = 0 1 0 sin θ 0 cos θ Dere kan selv tenke dere frem til/gjette hva en rotasjon om z-aksen må se ut som. Man kan bruke fornuften sin til å overbevise seg om at alle rotasjoner i rommet kan skrives som en rotasjon om en og en akse. Dvs en generell A SO(3, R) kan skrives som A x (θ)a y (φ)a z (ψ) Hvis man vil kan man gange ut dette beistet, men jeg får personlig lite ut av resultatet. De unitære gruppene Man kan godt denere SO(n, C) som komplekse matriser med A T 1, men det er ikke de mest naturlige for C. Først trenger jeg litt notasjon. Hvis A er en m n matrise, så dener A til å være (A T ). Dvs man transponerer matrisen, så komplekskonjugerer man alt i matrisen. Prikkproduktet til C n kan da skrives (en søylevktor er en n 1-matrise) z, w = z w = z w 3

Hvis man bruker MAT1100 sin konvensjon må denne formelen skrives z w = z w Jeg mistenker denne formelen er hovedgrunnen til at fysikere vil komplekskunjugerer den venstre vektoren og ikke den høyre. Gruppen U(n) er da alle matrisene som bevarer indreproduktet til C n. Som i likhet med det reelle tilfellet betyr dette at A 1. Vi kan derfor skrive U(n) = {A GL(n, C) A 1} Analogt med tilfellet over har man også SU(n): SU(n) = {A U(n) det(a) = 1} Disse gruppene er veldig viktige, selv om de ser litt eksotiske ut. Den nest-viktigste gruppen i Standardmodellen er nemlig Poincaré-gruppen SU(3) SU(2) U(1) Vi skal nå over i spesiell relativitetsteori. La x = (x 0, x 1, x 2, x 3 ) = (ct, x, y, z) være koordinatene til det 4-dimensjonale tidrommet, ofte kalt Minkowskitidrommet. Foreløpig mener jeg bare R 4. Siden relativ bevegelse endrer avstander og tidsintervaller, vil ikke avstanden mellom 2 punkter i rommet (R 3 ), dvs. x y være uavhengig av referansesystem. Det nnes derimot en del størrelser som er det. Hvis x og x er 2 punkter i tidrommet, så vil s 2 = (x 0 x 0) 2 (x 1 x 1) 2 (x 2 x 2) 2 (x 3 x 3) 2 være uendret av såkalte Lorentz-tranfsormasjoner. Fysisk svarer dette til at man enten skifter til et referansesystem som beveger seg i konstant hastight relativt til det gamle, eller så er det nye referansesystemet rotert i forhold til det gamle. Eller en blanding. I tillegg har man også tidsinversjon (man bytter fortegn på tiden) og rominversjon (man speiler hele rommet). Hvis man ser på gruppen av matriser som ikke speiler hverken tid eller rom, skrives den gjerne SO(1, 3) = {Λ GL(4, R) x Λx endrer ikke s 2, det(λ) = 1} hvor 1 betyr at du har en tidsdimensjon, 3 betyr at du har 3 romdimensjoner. Merk at hvis man skrives bare x istedenfor (x x ), så kan s 2 skrives som s 2 = x T ηx 4

hvor 1 0 0 0 η = 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Kravet på Λ er derfor at hvis x Λx, y Λy, så skal man ha Så vi må kreve at s 2 x T Λ T ηλy = x T ηy Λ T ηλ = η I tillegg ville vi ha det(λ) = 1. Man kan merke seg at bytter man ut η med 1 så får man presist SO(4, R). Dette er altså en generalisering av rotasjoner, og man kan godt tenke på Lorantz-transformasjonene som generaliserte tidromsrotasjoner. For å se nøyere på hva slags rotasjoner dette er, kan man i likhet med SO(2, R)-eksempelet skrive opp ( ) a b Λ = c d (dette er for 1+1 dimensjon), og se på kravene ( ) ( ) ( ) a c 1 0 a b = b d 0 1 c d Man får da ligningene ad bc = 1 a 2 c 2 = 1 d 2 b 2 = 1 ab cd = 0 ( ) 1 0 0 1 fra matrisene. Skriver man a = cosh(θ), d = cosh(φ), c = sinh(θ), b = sinh(φ) Ser man f.eks fra determinantkravet at θ = φ slik at man ender opp med ( ) cosh θ sinh θ Λ = sinh θ cosh θ 5

Dette er en hyperbolsk rotasjonsmatrise. Mangelen på minus er korrekt. Det vi har argumentert for er at rotasjoner og boosts (det å endre et referansesystem sin bevegelse i forhold til et annet) kan samlet sett tenkes på som hyperbolske rotasjoner. Overskriften er Poincaré-gruppen, men vi har bare snakket om Lorentzgruppen. Poincaré-gruppen er den større gruppen hvor man også kan translatere i tid og rom. Man tillater altså x Λx + a hvor a er en vektor i R 4. Poincaré-gruppen er med andre ord ane transformasjoner. Poincaré-gruppen er kanskje den viktigste gruppen i teoretisk fysikk. Ihvertfall i høy-energifysikk. Man skriver gjerne P for denne gruppen. En liten bemerkning er at R 4 P hvor R 4 er gruppen med addisjon som operasjon, og hvor man identiserer denne med translasjonene i P. Man har også at SO(3, R) P. Möbius og Lorentz Gruppen SL(2, C) har fått et eget navn, nemlig Möbius-gruppen. Vi skal ikke gå inn på alt det gøye man kan gjøre med denne gruppen. Det vi derimot skal bruke den til er å lage oss en homomor mellom SO(1, 3) og SL(2, C). Oppsettet er som følger Gitt et punkt i tidrommet x = (x 0, x 1, x 2, x 3 ), lag følgende matrisene ( ) x0 + x 3 x 1 ix 2 x 1 + ix 2 x 0 x 3 Determinanten er nemlig litt interessant: det(a) = x 2 0 x 2 1 x 2 2 x 2 3 Gitt en M SL(2, C) kan vi derfor la M virke på et punkt i tidrommet ved x A MAM Man kan godt sjekke dette er en homomor. Det man også kan vise er et den er 2 1. Med det mener jeg at for hvert element i SO(1, 3) nnes det 2 elementer i SL(2, C) som oppfører seg som den gitte Lorentz-transformasjonen. Uten at vi egentlig har gått inn på nok topologi til å si dette, kan man vise at SL(2, C) er den doble overdekningen til Lorentz-gruppen. Derfor kalles også SL(2, C) av og til for Spin(1, 3). Denne doble overdekningen er opphavet til spinn slik man møter det i kvantemekanikk, og er grunnen til at fermioner er forskjellig fra bosoner. 6

Overdeknikng og rotasjoner Man kan i samme ånd som over vise at SU(2) er en dobbel overdekning av SO(3, R). Slik at Spin(3)= SU(2). 7