Lie Algebra

Lie Algebra 李代数
李代数是Lie Group 的切空间,是李群的局部线性近似。通过将李群在单位元附近进行线性化,李代数将复杂的非线性问题转化为相对简单的线性代数问题,是连接李群理论、微分几何和物理学的核心桥梁。
通常写作小写字母,如李代数 se(3) 对应于李群的 SE(3)

公理

李代数是一个向量空间 g,配有一个二元运算 [,]:g×gg(李括号),满足:

  1. 双线性 (Bilinearity)[aX+bY,Z]=a[X,Z]+b[Y,Z]
  2. 反对称性 (Anti-commutativity)[X,X]=0,从而 [X,Y]=[Y,X]
  3. 雅可比恒等式 (Jacobi Identity)[X,[Y,Z]]+[Y,[Z,X]]+[Z,[X,Y]]=0
Important

李括号不要求满足结合律,即 [[X,Y],Z] 不一定等于 [X,[Y,ZX,Y],Z] 不一定等于 [X,[Y,Z]]。雅可比恒等式取代了结合律的地位。

李代数的来源

  1. 李群的切空间:任何李群 G 在单位元 e 处的切空间 TeG 都构成李代数 g,其李括号反映了群乘法的无穷小非交换性。
  2. 矩阵交换子[A,B]=ABBA。根据阿多定理 (Ado's Theorem),任何有限维李代数都同构于一个矩阵李代数。
  3. 三维向量叉积R3 配备叉积运算构成李代数,即 so(3)

结构概念

LaTeX
\mathfrak{}   \mathfrak{se}

Lie 代数和Lie 群

Lie 群描述全局运动(非线性),李代数描述局部运动(线性)。

常见 Lie 群的数学推导

Lie 群 群元素形式 李代数 指数映射形式
SO(2) 2×2 旋转矩阵 ωR R=exp(ω^θ)
SO(3) 3×3 旋转矩阵 ωR3 Rodrigues 公式
SE(2) 3×3 刚体变换矩阵 [v,ω]R3 平面运动公式
SE(3) 4×4 刚体变换矩阵 [v,ω]R6 雅可比矩阵形式
Rn 向量加法 向量本身 指数映射为恒等映射

1. SO(2):二维平面旋转群

群元素:二维旋转矩阵

R(θ)=[cosθsinθsinθcosθ]

李代数:李代数 so(2) 的元素:

ω^=[0ωω0]

指数映射

R(θ)=exp(ω^θ)=[cosθsinθsinθcosθ]

2. SO(3):三维空间旋转群

群元素:三维旋转矩阵

RSO(3)满足RTR=I,det(R)=1

李代数:李代数 so(3) 的元素(反对称矩阵):

ω^=[0ωzωyωz0ωxωyωx0]

指数映射(使用 Rodrigues 公式):

R=exp(ω^θ)=I+sinθθω^+1cosθθ2ω^2

对数映射:给定旋转矩阵 R,其旋转轴 ω 与旋转角度 θ 满足:

θ=cos1(tr(R)12)

旋转向量

ω=θ2sinθ[R32R23R13R31R21R12]

3. SE(2):二维刚体运动群

群元素R(θ)SO(2) 旋转矩阵,tR2 为平移向量。

T=[R(θ)t01]SE(2)

李代数:李代数 se(2) 的元素:

ξ=[0ωvxω0vy000]

指数映射

T=exp(ξ)

ω0 时,有:

T=[R(θ)Vt01]

其中:

V=1ω[sinω(1cosω)1cosωsinω]

4. SE(3):三维刚体运动群

群元素RSO(3)tR3

T=[Rt01]SE(3)

李代数se(3) 的元素,ω^so(3)vR3

ξ=[ω^v00]

指数映射

T=exp(ξ)=[exp(ω^)Jv01]

其中,J 为平移部分的雅可比矩阵

J=I+1cosθθ2ω^+θsinθθ3ω^2

对数映射:给定刚体变换矩阵 T,旋转部分用 R,平移部分用 t

ω^=log(R)

旋转角度 θ 同上,计算 J1,得到:

v=J1t

5. Rn:欧式空间(特殊情况)

当只涉及平移,没有旋转时,李群退化为欧式空间,群运算为向量加法,李代数就是自己。