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
公理
李代数是一个向量空间
- 双线性 (Bilinearity):
- 反对称性 (Anti-commutativity):
,从而 - 雅可比恒等式 (Jacobi Identity):
Important
李括号不要求满足结合律,即
李代数的来源
- 李群的切空间:任何李群
在单位元 处的切空间 都构成李代数 ,其李括号反映了群乘法的无穷小非交换性。 - 矩阵交换子:
。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。 - 三维向量叉积:
配备叉积运算构成李代数,即 。
结构概念
- 子代数 (Subalgebra):对李括号封闭的子空间。
- 理想 (Ideal):
。 - 单李代数 (Simple):没有非平凡理想的非阿贝尔李代数。
- 半单李代数 (Semisimple):可分解为单李代数的直和。有限维复半单李代数已通过根系和邓肯图完全分类。
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)。
- 通过 指数映射(exp) 可以从李代数映射到 Lie 群。
- 通过 对数映射(log) 可以从 Lie 群映射到李代数。
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 |
|---|---|---|---|
| Rodrigues 公式 | |||
| 平面运动公式 | |||
| 雅可比矩阵形式 | |||
| 向量加法 | 向量本身 | 指数映射为恒等映射 |
1. :二维平面旋转群
群元素:二维旋转矩阵
李代数:李代数
指数映射:
2. :三维空间旋转群
群元素:三维旋转矩阵
李代数:李代数
指数映射(使用 Rodrigues 公式):
对数映射:给定旋转矩阵
旋转向量:
3. :二维刚体运动群
群元素:
李代数:李代数
指数映射:
当
其中:
4. :三维刚体运动群
群元素:
李代数:
指数映射:
其中,
对数映射:给定刚体变换矩阵
旋转角度
5. :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。