Matemáticas universitarias — Grado 3 · Bachelor Year 3
20Subvariedades de ℝn
Esferas, toros, grupos de rotaciones: los hábitats naturales de la geometría y la mecánica no son espacios vectoriales, sino conjuntos curvos que de cerca parecen planos. Este capítulo da a esa frase un sentido preciso — las subvariedades de — y el cálculo para trabajar sobre ellas. El cimiento es el teorema de la función inversa, demostrado aquí con el punto fijo de Banach; todo lo demás es cambio de coordenadas: las cuatro descripciones equivalentes de una subvariedad (enderezamiento local, conjuntos de nivel, grafos, parametrizaciones), los espacios tangentes y la optimización con restricciones por multiplicadores de Lagrange — que, como demostración de despedida, vuelve a demostrar el teorema espectral para matrices simétricas en tres líneas de geometría. El problema de fin de semana construye el grupo de rotaciones y su recubrimiento doble cuaterniónico: el álgebra (el del Capítulo 1, ya crecido) encontrándose con la geometría.
20.1 El teorema de la función inversa
Teorema 20.1 (Teorema de la función inversa)
Sean abierto, de clase y con invertible. Entonces existen abiertos , tales que es una biyección de inversa , y
Si es , también lo es .
Demostración. Normalicemos: sustituyendo por , podemos suponer , , (el enunciado general se sigue componiendo con las biyecciones afines). Escríbase : y, por continuidad de , elíjase con en ; la desigualdad del valor medio da allí .
Biyectividad sobre un entorno. Para , resolver significa hallar un punto fijo de ; lleva en sí mismo () y es -lipschitziana: Banach (el Teorema 7.4) da una única solución . Además, es inyectiva en :
Póngase y : abierto (continuidad), con biyectiva.
Continuidad y diferenciabilidad de la inversa. dice que es -lipschitziana. Fíjese ; la invertibilidad de (su distancia a es : Neumann, la Proposición 8.4) y la diferenciabilidad de dan, para próximo a :
usando para convertir : es diferenciable en con la diferencial inversa. Continuidad de : composición de aplicaciones continuas (la inversión es continua, Proposición 8.4): ; y reiterando la misma fórmula se obtiene . ∎
Teorema 20.2 (Teorema de la función implícita)
Sea de clase cerca de , con , y supóngase que la diferencial parcial es invertible. Entonces existen entornos , y una aplicación con
y .
Demostración. Aplíquese el Teorema 20.1 a : su diferencial en , triangular por bloques con bloques diagonales invertibles y , es invertible. La inversa local tiene la forma ; póngase : entonces, localmente, si y solo si si y solo si . La fórmula: derívese por la regla de la cadena. ∎
20.2 Subvariedades: cuatro definiciones
Teorema 20.3 (Caracterizaciones equivalentes)
Sean , y . Son equivalentes, para cada punto (y es una subvariedad de dimensión y clase si se cumplen en todo ):
(Enderezamiento) Existe un difeomorfismo de un abierto sobre un abierto con
- (Conjunto de nivel) Existe una sumersión (es decir, con sobreyectiva) en un abierto con .
- (Grafo) Salvo permutación de coordenadas, es localmente el grafo de una aplicación .
- (Parametrización) Existe una inmersión ( inyectiva) con abierto, siendo un homeomorfismo de sobre para cierto abierto .
Demostración. (1)(2): (últimas coordenadas de ): una sumersión ( invertible). (2)(3): sobreyectiva: algún menor del jacobiano es invertible (); tras permutar coordenadas, es invertible, y el teorema de la función implícita (el Teorema 20.2) expresa localmente como un grafo . (3)(4): : una inmersión (diferencial inyectiva) y un homeomorfismo sobre el grafo (inversa: la proyección, continua). (4)(1): sea ; complétese con un suplementario () y defínase en : es biyectiva (su imagen contiene y ), de modo que es un difeomorfismo local (el Teorema 20.1); su inversa endereza: cerca de , los puntos de son exactamente los — para ello, la hipótesis de homeomorfismo en (4) garantiza que , para pequeño, no contiene otras hojas (hay que excluir próximo a con pequeño: para cierto próximo a por la propiedad de homeomorfismo, y la inyectividad local de fuerza ). Entonces , restringiendo si hace falta. ∎
Ejemplo 20.4
La esfera : conjunto de nivel de la sumersión en (): una subvariedad de dimensión . El toro en : conjunto de nivel de (). El cono no es una subvariedad en (el Ejercicio 20.1). Grupos de matrices: y son subvariedades de (el Ejercicios 20.5 y 20.6) — el punto de partida de la teoría de Lie.
20.3 Espacios tangentes
Definición 20.5
Sean una -subvariedad y . El espacio tangente es el conjunto de los vectores velocidad de las curvas con .
Proposición 20.6
es un subespacio vectorial de de dimensión , y:
- si localmente con una sumersión: ;
- si está parametrizada por la inmersión (): .
Demostración. Las curvas de cumplen ; la regla de la cadena en da : . Recíprocamente, el enderezamiento (el Teorema 20.3(1)) transporta rectas de a curvas de : todo vector de un subespacio de dimensión se realiza; comparando dimensiones () se fuerza la igualdad en (1), y el mismo argumento de transporte da (2) ( aplicada a rectas de ; de nuevo las dimensiones). ∎
Teorema 20.7 (Multiplicadores de Lagrange)
Sea con una sumersión , y sea de clase . Si la restricción tiene un extremo local en , entonces existen números reales únicos (los multiplicadores de Lagrange) con
Demostración. Para toda curva de que pase por : tiene un extremo local en , de modo que : (la Proposición 20.6). Ahora bien, (la identidad de rango y ortogonalidad de segundo año, o el Ejercicio 13.8 en dimensión finita: ), que está generado por los gradientes — independientes, al ser sobreyectiva: los multiplicadores existen y son únicos. ∎
Ejemplo 20.8 (El teorema espectral, geométricamente)
Sea una matriz real simétrica y maximícese en la esfera (compacta: el máximo se alcanza, en cierto ). Lagrange con : y dan — un vector propio, con . Restrínjase a (invariante: ) e itérese: una base ortonormal de vectores propios. El teorema espectral de segundo año, vuelto a demostrar por pura optimización — y la sombra en dimensión infinita del mismo argumento demostró el Lema 15.6.
Método 20.9
Para demostrar que un conjunto es una subvariedad: exhíbase localmente como con sobreyectiva sobre el conjunto (la vía más común), o como un grafo. Para calcular su dimensión y su espacio tangente: y . Para optimizar sobre él: Lagrange — compruébese siempre antes la compacidad (o la coercividad), de modo que exista un extremo al que aplicar el teorema, y recuérdese que la ecuación de los multiplicadores es solo necesaria: recójanse todos los puntos críticos y compárense después los valores. Para grupos de matrices, derívense curvas en la identidad para identificar los espacios tangentes.
20.4 Ejercicios
Ejercicio 20.1 ★
(a) Verifíquese que los siguientes son subvariedades y dense sus dimensiones: ; el hiperboloide ; el toro del Ejemplo 20.4. (b) Demuéstrese que el cono no es una -subvariedad en : determínese el número de componentes conexas de y compárese con el que forzaría un enderezamiento (el Teorema 20.3(1)) para un plano menos un punto.
Solución
Solución de Ejercicio 20.1.
(a) Cada uno es para una sumersión: en (gradiente ): dimensión ; (gradiente en el hiperboloide, donde ): dimensión ; la función del toro , , es cerca del toro (allí ) con (su componente es , y donde la componente radial vale , pues ): dimensión .
(b) Para pequeño, tiene exactamente componentes conexas (los mantos superior e inferior punteados, cada uno conexo por caminos: conéctese a través de circunferencias y radios). Si fuera una -subvariedad en , un enderezamiento daría un homeomorfismo de sobre un trozo abierto de un plano que enviaría a un punto ; los entornos planos punteados pequeños de tienen una componente, y los homeomorfismos conservan el número de componentes de los entornos punteados: contradicción.
Ejercicio 20.2 ★
Calcúlense los espacios tangentes: (a) para cualquier (respuesta: ); (b) el plano tangente al toro del Ejemplo 20.4 en un punto arbitrario del ecuador exterior ; (c) la recta tangente a la hélice en , comprobando Proposición 20.6(2).
Solución
Solución de Ejercicio 20.2.
(a) . (b) En : , de modo que el plano tangente es : el plano vertical tangente al ecuador exterior. (c) La hélice es una curva embebida con : la recta tangente en es , como prescribe la Proposición 20.6(2).
Ejercicio 20.3 ★★
Sea (es decir, ). (a) ¿En qué puntos se aplica el Teorema 20.1? (b) Demuéstrese que es localmente pero no globalmente invertible en , y exhíbanse explícitamente las dos inversas locales definidas en un entorno de (las dos ramas de la raíz cuadrada). (c) Misma discusión para la aplicación de coordenadas polares .
Solución
Solución de Ejercicio 20.3.
(a) , : el teorema se aplica en todo punto salvo el origen. (b) : nunca inyectiva en un conjunto simétrico respecto de ; en es difeomorfismo local en todas partes y, sin embargo, a globalmente. Cerca de , las dos inversas son las dos ramas de la raíz cuadrada: en notación compleja, (rama principal), i.e.
(c) Jacobiano : difeomorfismo local en , pero da el mismo punto: localmente invertible (el ángulo queda determinado salvo en un semiplano), nunca globalmente.
Ejercicio 20.4 ★★
(Folium) Sean y . (a) Demuéstrese que, cerca de todo punto de distinto del origen, es una -subvariedad, localmente un grafo en o en (¿cuál, dónde?). (b) Calcúlese la recta tangente en . (c) ¿Qué ocurre en el origen? (Se cruzan dos ramas: exhíbanse dos curvas de que pasen por con velocidades independientes, y conclúyase que no existe enderezamiento.)
Solución
Solución de Ejercicio 20.4.
(a) se anula si y solo si y , es decir, : en y ; solo está en (). Así, en , es una sumersión: una -subvariedad, localmente un grafo donde y donde (al menos una se cumple fuera del origen).
(b) En : : recta tangente .
(c) La parametrización racional , pasa por en con velocidad ; intercambiando (la curva es simétrica, o reparametrícese por ) se obtiene una segunda curva por con velocidad . Dos direcciones tangentes independientes son imposibles en una -subvariedad (su espacio tangente es una recta, la Proposición 20.6): no es una subvariedad en el origen — una autointersección transversal.
Ejercicio 20.5 ★★
Sea de en el espacio de las matrices simétricas. (a) Demuéstrese que y que es sobreyectiva sobre en todo (dada , pruébese con ). (b) Conclúyase que es una subvariedad compacta de dimensión , con , las matrices antisimétricas. (c) Demuéstrese que para toda antisimétrica: las direcciones tangentes se integran en curvas dentro del grupo.
Solución
Solución de Ejercicio 20.5.
(a) : . Para y simétrica, da : sobreyectiva sobre .
(b) con una sumersión (sobre , de dimensión ) en cada uno de sus puntos: una subvariedad de dimensión . Compacta: cerrada ( continua) y acotada (las columnas son vectores unitarios). Tangente en : .
(c) (la transposición pasa a través de la serie; las exponenciales de matrices que conmutan se multiplican, Teorema 19.8).
Ejercicio 20.6 ★★
(a) Demuéstrese que tiene diferencial , no nula en todo . (b) Conclúyase que es una subvariedad de dimensión con . (c) ¿Es una subvariedad? ¿De qué dimensión?
Solución
Solución de Ejercicio 20.6.
(a) para invertible (desarrollo de cerca de : el término lineal de ); con : , y la fórmula se extiende a toda por densidad y continuidad. En , : (su valor en es ).
(b) con una sumersión allí (con valores en ): dimensión ; .
(c) es un subconjunto abierto de (el Ejercicio 6.8): una subvariedad de dimensión total (enderezamiento: la carta identidad).
Ejercicio 20.7 ★★
Por multiplicadores de Lagrange: (a) hállense los extremos de en la circunferencia ; (b) demuéstrese que, entre todos los vectores de probabilidad (positivos y de suma ), la entropía se maximiza exactamente en la distribución uniforme; (c) hállese el punto de la elipse más próximo a , y compruébese geométricamente la ecuación de los multiplicadores (alineamiento normal).
Solución
Solución de Ejercicio 20.7.
(a) y : , dan . Valores de : : máximo en , mínimo en (el conjunto de restricción es compacto: los extremos existen).
(b) En el interior del símplex (), Lagrange para con la restricción : para todo : todos los iguales, , con . El máximo sobre el símplex compacto se alcanza; si se alcanzara en la frontera (algún ), la distribución vive en puntos y por inducción : el punto crítico interior es el máximo global — la ignorancia uniforme maximiza la entropía.
(c) Minimícese en la elipse compacta: . Si : , y entonces da , : distancia . Si : , distancias y . Puntos más próximos: , a distancia . La ecuación de los multiplicadores dice que el segmento de al punto más próximo es paralelo a (elipse): corta la elipse ortogonalmente, como exige la geometría.
Ejercicio 20.8 ★★★
Desarróllese por completo el Ejemplo 20.8: demuéstrese por inducción que una matriz real simétrica admite una base ortonormal de vectores propios, siendo los sucesivos máximos con restricción del cociente de Rayleigh. Dedúzcanse después las fórmulas de Courant–Fischer del Ejercicio 15.8 en dimensión finita directamente de esta construcción.
Solución
Solución de Ejercicio 20.8.
Inducción sobre ; es trivial. La función de Rayleigh alcanza su máximo en la compacta , en cierto ; Lagrange (el Teorema 20.7, con la esfera como conjunto de nivel) da , y . El hiperplano es -invariante (simetría: ); la restricción es simétrica, y la inducción produce una base ortonormal de vectores propios de con valores propios , cada uno el máximo de en la esfera del ortocomplemento restante. Courant–Fischer se sigue exactamente como en el Ejercicio 15.8: desarróllese ; en un espacio de prueba de dimensión , interséquese con (recuento de dimensiones en ) para obtener , y alcanza .
Ejercicio 20.9 ★★★
(Desigualdad de Hadamard) Para de columnas :
con igualdad si y solo si las columnas son ortogonales. (Redúzcase a columnas de norma reescalando; maximícese en el producto compacto de esferas ; en un maximizador, Lagrange en cada columna por separado da , y es la -ésima columna de : dedúzcase que es diagonal, luego y por tanto .) Lectura geométrica: el volumen de un paralelepípedo es a lo sumo el producto de las longitudes de sus aristas.
Solución
Solución de Ejercicio 20.9.
Reescalar cada columna a norma unidad divide por : basta demostrar cuando todas las columnas son unitarias, con igualdad si y solo si . La función es continua en el compacto : alcanza un máximo en cierta . Fijando todas las columnas salvo la -ésima, es lineal en con gradiente la -ésima columna de ; Lagrange en la -ésima esfera: . La identidad se lee , es decir, ; tomando : , y entonces da : las columnas son ortonormales, , . Por tanto, siempre, con igualdad exactamente para columnas ortogonales (deshágase la escala): el volumen de un paralelepípedo es máximo, dadas las longitudes de sus aristas, cuando estas son perpendiculares.
Ejercicio 20.10 ★★
¿Cerca de cuáles de sus puntos es la circunferencia un grafo ? ¿Un grafo ? Verifíquese explícitamente la caracterización por grafos (el Teorema 20.3(3)) en , y explíquese en una frase por qué alguna permutación de coordenadas basta siempre pero ninguna fija sirve siempre.
Solución
Solución de Ejercicio 20.10.
sirve cerca de todo punto con ; cerca de todo punto con ; en : el grafo sobre , que es el Teorema 20.3(3) con las coordenadas intercambiadas. Alguna permutación sirve siempre porque la recta tangente, al ser unidimensional, no puede ser a la vez vertical y horizontal — pero puede ser cualquiera de las dos, de modo que ninguna elección fija de coordenada «dependiente» sirve en todo punto.
Ejercicio 20.11 ★★
(El grupo ortogonal como subvariedad, cuantitativamente) (a) Demuéstrese que es compacto: acotado (cada columna es un vector unitario, de modo que para la norma matricial euclídea) y cerrado. (b) Demuéstrese que su espacio tangente en es el espacio de las matrices antisimétricas, de dimensión , y en un general: . (c) Dedúzcase que la aplicación es, para cada antisimétrica, una curva en que pasa por con velocidad (verifíquese usando y ): todo vector tangente se realiza mediante una curva explícita, sin necesidad alguna del teorema de la función implícita.
Solución
Solución de Ejercicio 20.11.
(a) La aplicación de definición es continua: es cerrado; las columnas de una matriz ortogonal son vectores unitarios, de modo que la norma euclídea (de Frobenius) vale exactamente : acotado. Compacto por Heine–Borel en .
(b) es el conjunto de nivel estudiado en el capítulo: , sobreyectiva sobre las matrices simétricas en cada (dada simétrica, tómese ), de modo que es una subvariedad de dimensión con
en son las matrices antisimétricas.
(c) (las dos matrices conmutan, de modo que el producto de exponenciales es la exponencial de la suma): , y es una curva en con , . Cuando recorre las matrices antisimétricas, barre : la exponencial realiza todo el espacio tangente con curvas explícitas — el atajo de grupos de Lie que el Problema 20.1 explota para .
Ejercicio 20.12 ★★
(Puntos críticos de la distancia) Sean una subvariedad y . Demuéstrese que si minimiza la distancia a (tal punto existe cuando es cerrada y no vacía — ¿por qué?), entonces
(derívese a lo largo de curvas de ). Dedúzcase: el punto más próximo de una esfera está en el radio que pasa por el centro; y úsese la condición para calcular la distancia de a la parábola (redúzcase a una cúbica y resuélvase numéricamente con tres cifras).
Solución
Solución de Ejercicio 20.12.
Existencia: interséquese con una bola cerrada grande alrededor de para obtener un compacto no vacío; la distancia continua alcanza allí su mínimo, y los puntos exteriores a la bola están más lejos. Condición de primer orden: para una curva de con , la función es derivable con un mínimo en :
y barre : . Esfera : el espacio tangente en es , de modo que : está en la recta que pasa por y , a distancia de — el punto del radio, como insiste la geometría. Parábola: en la tangente está generada por ; la ortogonalidad a se lee
con única raíz real ( es estrictamente creciente) ; entonces y .
20.5 Problema: y los cuaterniones
Problema 20.1
Problema de fin de semana — rotaciones, el grupo y el recubrimiento doble
Los cuaterniones — el álgebra cuyo grupo de unidades contiene el del Problema 1.1 — parametrizan las rotaciones tridimensionales por partida doble: la aplicación «conjugar por un cuaternión unitario» es un morfismo sobreyectivo de núcleo . Lo construiremos todo. Recuérdese o defínase: la multiplicación es -bilineal con ; el conjugado de es ; .
Parte I — El álgebra y el grupo .
- Verificar que es un álgebra asociativa sobre de centro , que y que (una vía limpia: represéntese como la matriz compleja , , y úsese ).
- Dedúzcase que todo es invertible (): es un cuerpo (no conmutativo) y es un grupo — y una -subvariedad compacta de (Ejemplo 20.4).
Parte II — El morfismo de rotación. Identifíquese con los cuaterniones puros , y para defínase .
- Demostrar que lleva en (los cuaterniones puros son los de ), es -lineal, conserva la norma, y que es un morfismo de grupos .
- Calcular el núcleo: si y solo si conmuta con si y solo si .
- Escríbase con , (¿por qué es siempre posible para ?). Demostrar que fija y, en el plano , actúa como la rotación de ángulo (calcúlese para usando para unidades puras ortogonales — demuéstrese esta identidad a partir de la tabla de multiplicar, o de ).
Conclúyase: (cada es una rotación de eje y ángulo los calculados — determinante por continuidad de en el conexo , o directamente), y es sobreyectivo sobre : toda rotación de tiene un eje (demuéstrese: una matriz ortogonal real con tiene el valor propio — considérese el polinomio característico) y es, por tanto, algún . Resumen:
Parte III — como subvariedad; Rodrigues.
- Demostrar que es una subvariedad compacta de dimensión de con las matrices antisimétricas (el Ejercicio 20.5; la condición sobre el determinante selecciona una unión de componentes).
Para la matriz antisimétrica asociada a (, el producto vectorial), demuéstrese la fórmula de Rodrigues:
(a partir de : pártase la serie exponencial según las potencias de ), e identifíquese como la rotación de eje y ángulo . Dedúzcase que lleva las matrices antisimétricas sobre .
- Relációnense las dos parametrizaciones: demuéstrese que con es un grupo uniparamétrico de rotaciones cuya derivada en es — la exponencial cuaterniónica y la exponencial de matrices cuentan la misma historia a media velocidad y a velocidad completa, respectivamente.
Parte IV — El recubrimiento doble, palpado.
- Demostrar que el camino , , es un lazo en (su imagen vuelve a la identidad) cuyo levantamiento cuaterniónico no es un lazo: . Continuando hasta se cierra el levantamiento. Explíquese en un párrafo breve qué significa esto: una rotación de no se puede deshacer continuamente mientras que una de sí (el truco del cinturón), porque los lazos de se detectan en su recubrimiento doble .
- Dedúzcase también el dividendo práctico: componer rotaciones = multiplicar cuaterniones ( multiplicaciones de datos en lugar de , sin deriva de la ortogonalidad) — verifíquese con la composición de dos cuartos de vuelta alrededor de y : calcúlense el eje y el ángulo del producto.
Parte V — La matriz explícita: Euler–Rodrigues. Escríbase , de modo que .
Calcúlese íntegramente a partir de la tabla de multiplicar; obténganse después y mediante la sustitución cíclica , (justifíquese: la permutación cíclica se extiende a un automorfismo de , porque las relaciones de definición son cíclicamente simétricas). Conclúyase que la matriz de en la base es la matriz de Euler–Rodrigues
(Leer una rotación al revés) Demuéstrese que
con la notación de las preguntas 5 y 8. Dedúzcase un algoritmo que recupere a partir de una matriz de rotación : el ángulo, de la traza; el eje, de la parte antisimétrica cuando ; y, cuando , demuéstrese y úsese la identidad .
- Evalúese para el producto de la pregunta 11: aparece una matriz de permutación. Identifíquese la rotación y concíliese con el eje y el ángulo hallados en la pregunta 11.
Parte VI — Dentro de : , clases de conjugación, exponenciales.
Demostrar que la representación matricial de la pregunta 1 (llámese ) se restringe a un isomorfismo de grupos de sobre el grupo unitario especial
(para la sobreyectividad, escríbanse las ecuaciones y para una matriz compleja general).
- Demostrar que la parte real es un invariante de conjugación en — para todos — y, recíprocamente, que dos cuaterniones unitarios con la misma parte real son conjugados en (redúzcase a llevar un eje puro unitario sobre otro, cosa que proporciona la Parte II). Descríbanse geométricamente las clases de conjugación de ; tradúzcase a (conjuntos de nivel de la traza); y proyéctese por : dos rotaciones son conjugadas en si y solo si tienen el mismo ángulo .
Defínase en por la serie exponencial; compruébese la convergencia absoluta usando para . Demuéstrese, para puro unitario y ,
dedúzcase que lleva el hiperplano sobre , y compruébese que : de nuevo el fenómeno del semiángulo de la pregunta 9.
- Para cuaterniones puros , demuéstrese la regla del producto y, por tanto, la identidad del conmutador ; demuéstrese también para las matrices de la pregunta 8. Conclúyase que la derivada de en a lo largo de las curvas es el isomorfismo lineal de sobre las matrices antisimétricas, y que transporta el conmutador de cuaterniones al conmutador de matrices.
Parte VII — Estructura global.
- (No hay sección continua) Supóngase que es continua con . Para el lazo de la pregunta 10, póngase para . Demuéstrese que es continua con valores en , y dedúzcase una contradicción: no existe ninguna elección global continua de un cuaternión unitario que represente cada rotación.
- (El modelo de la bola) Sean la bola cerrada de radio y , con . Demuéstrese que lleva sobre , es inyectiva en la bola abierta y, en la esfera frontera, identifica exactamente los antípodas: , sin ninguna otra coincidencia. Así, es la bola con los puntos frontera antipodales pegados — el espacio proyectivo — y un diámetro se convierte en el lazo no contráctil de la pregunta 10.
- Demostrar que ; que las involuciones de (los con ) son exactamente las medias vueltas con un cuaternión puro unitario; y que el centro de es trivial.
- Demostrar que toda rotación es producto de dos medias vueltas: para , elíjase un puro unitario, compruébese que es de nuevo un cuaternión puro unitario y verifíquese . ¿Dónde están los dos ejes y qué ángulo forman?
- Conclúyase el resumen topológico: es compacto y conexo por caminos (dense dos demostraciones: imagen continua de por ; imagen de ), mientras que tiene exactamente dos componentes conexas, cada una homeomorfa a .
- (Una composición, de tres maneras) Sean la rotación de alrededor del eje y la rotación de alrededor del eje . Calcúlense el eje y el ángulo de : (i) multiplicando las dos matrices y usando la traza y la parte antisimétrica (Parte V); (ii) multiplicando los cuaterniones unitarios correspondientes . Compruébese que ambas respuestas coinciden: ángulo , eje .
(La transformación de Cayley) Para antisimétrica, demuéstrese que es invertible y
sin que sea nunca valor propio de ; demuéstrese que es una biyección de las matrices antisimétricas sobre , con inversa . (Una carta racional de , compañera de la trascendente de Ejercicio 20.11.)
Solución
Solución de Problema 20.1.
1. Aplicación con , : se comprueba que van a , , , , cuyos productos reproducen la tabla de los cuaterniones: la aplicación es un morfismo inyectivo de álgebras, de modo que hereda la asociatividad; es multiplicativa, y la conjugación corresponde a la traspuesta de la adjunta, lo que da . Centro: conmutar con obliga a , y con obliga a : .
2. : para , : un álgebra de división. En : y : un grupo; y es la esfera unidad: una -subvariedad compacta.
3. es puro si y solo si ; entonces : conserva . La linealidad es clara; : una isometría de : . Y : un morfismo.
4. si y solo si para todo puro, si y solo si conmuta con , si y solo si es central (pregunta 1): .
5. Escríbase (, puro): , de modo que y con para cierto (si , actúa trivialmente). Como , y conmutan, y : el eje. Para unidades puras : la regla del producto (desarróllese en coordenadas con la tabla) da . Entonces
usando y las fórmulas del ángulo doble: la rotación de ángulo en el plano orientado .
6. Cada es una rotación alrededor de de ángulo : en la base ortonormal su matriz tiene determinante : . Sobreyectividad: una matriz tiene como valor propio, pues
de modo que . Tómese un vector propio unitario ; conserva y se restringe allí a una rotación de cierto ángulo (ortogonal plana, determinante ): para . Con la pregunta 4 y el primer teorema de isomorfía (el Teorema 1.3): .
7. es una subvariedad compacta de dimensión (el Ejercicio 20.5); es continuo en ella con valores en , de modo que es abierto y cerrado en : una unión de componentes conexas, luego a su vez una -subvariedad compacta, con el mismo espacio tangente en : las matrices antisimétricas.
8. ( unitario), de modo que : . Partiendo la serie exponencial según los restos de las potencias módulo la relación :
En : : fijo. En : : la rotación de eje y ángulo — Rodrigues. Toda rotación tiene esta forma (pregunta 6): es sobreyectiva de las matrices antisimétricas sobre .
9. Con : la pregunta 5 muestra que es la rotación de eje y ángulo , es decir, , cuya derivada en es . El cuaternión corre a la mitad del ángulo — la huella analítica del recubrimiento doble.
10. es la rotación alrededor de de ángulo : en vuelve a la identidad — un lazo en . Su levantamiento cumple : el camino levantado no es cerrado; solo en vuelve a . Interpretación: el lazo de las rotaciones completas no es contráctil en — su levantamiento termina en la otra hoja del recubrimiento — mientras que el lazo doble sí lo es; un cuerpo unido a su entorno por correas (el truco del cinturón) vuelve a un estado sin torsión tras pero no tras . Los grupos de rotaciones recuerdan la paridad de las vueltas completas; , al ser simplemente conexo, es donde reside esa memoria.
11. Cuartos de vuelta: , . Producto (aplicando primero el cuarto de vuelta ):
de norma , con : , y eje (la parte pura normalizada). Dos cuartos de vuelta sucesivos alrededor de ejes ortogonales dan una rotación de alrededor de la diagonal principal del cubo — cuatro multiplicaciones reales de contabilidad, con la ortogonalidad conservada exactamente: por eso el software de vuelo y los motores gráficos componen rotaciones con cuaterniones.
12. De la tabla, y , de modo que
Multiplicando por con la regla escalar–vector , donde y : la parte escalar es (pura, como debe ser) y la parte vectorial es
la primera columna de . La aplicación cíclica , , conserva las relaciones (la palabra es cíclicamente invariante salvo la relación , válida en todo anillo: conjúguese por el invertible ), de modo que se extiende a un automorfismo de -álgebras, y . Desenrollando, la imagen de es la fórmula de la primera columna tras la sustitución con la base reetiquetada , que es exactamente la segunda columna exhibida; una vuelta más da la tercera.
13. Sumando la diagonal, (norma unidad) y, con : . Parte antisimétrica: las tres entradas independientes de son (en las posiciones ), de modo que con . Algoritmo: ; si , léase en y póngase ; si , . Para : , y Rodrigues (pregunta 8) da , es decir, ; cualquier columna no nula de , normalizada, es , y .
14. Con : todas las entradas diagonales se anulan, , , , , , :
la permutación cíclica . Su traza es , de modo que , y fija : la rotación de alrededor de la diagonal principal — precisamente la respuesta de la pregunta 11, ahora visible como la matriz que cicla los ejes coordenados.
15. En la base se comprueba (la matriz de tiene , , que es la traspuesta conjugada de ). Por tanto, y : para , , y es un morfismo inyectivo (pregunta 1). Sobreyectividad: sea con ; entonces , y obliga a , , y entonces : para el cuaternión unitario de coordenadas , . Así, .
16. Los escalares reales son centrales y da , de modo que : la parte real es invariante. Recíprocamente, sea ; entonces las partes puras tienen la misma norma . Si , . Si , escríbanse , con puros unitarios; la pregunta 6 proporciona una rotación que lleva a , es decir, con , y entonces . Las clases de son, por tanto, , y, para cada , la -esfera de radio . Bajo , : las clases de son los conjuntos de nivel de la traza. Proyectando: si , entonces ; recíprocamente, obliga a (núcleo), de modo que , i.e. para los ángulos en : las rotaciones conjugadas tienen ángulos iguales. Recíprocamente, ángulos iguales permiten elegir representantes con la misma parte real no negativa, conjugados por lo anterior: en , la clase de conjugación de una rotación es exactamente su ángulo.
17. es multiplicativa, de modo que es una norma multiplicativa en y : la serie converge absolutamente en el espacio de dimensión finita (luego completo), dominada por . Para puro unitario: , de modo que y ; partiendo la serie,
Todo es con (pregunta 5): , de modo que . Por último, en la notación de la pregunta 9, y allí : .
18. Desarrollando por coordenadas con la tabla: los productos , … dan el escalar , y los productos mixtos (, , …) dan el vector : . Restando el producto invertido: (las partes escalares se cancelan, los productos vectoriales se suman). Para las matrices, con :
Derivada: (la conjugación es continua y cambia de signo los cuaterniones puros), de modo que
la diferencial es , una biyección lineal de sobre las matrices antisimétricas, y muestra que lleva el conmutador de cuaterniones al conmutador de matrices.
19. Aplicando : , de modo que (pregunta 4). Como producto de las aplicaciones continuas y , es continua en el intervalo conexo con valores en el par discreto : es constante, digamos . Pero , de modo que , mientras que y : contradicción. No existe ninguna sección continua: la ambigüedad de signo es global, no un defecto de una fórmula concreta.
20. Sobreyectiva: todo es para cierto unitario y cierto (preguntas 6 y 8); si , Rodrigues da (ambos valen , y con , ), de modo que con . Inyectiva dentro: si con , la pregunta 13 recupera el mismo ángulo de la traza y, como , el mismo eje de la parte antisimétrica: ; y fuerza en la bola abierta. Frontera: depende de solo a través de , de donde ; recíprocamente, aplicado a da , de modo que . El interior y la frontera nunca chocan (traza frente a ). Así, induce una biyección continua de la bola con pegado antipodal — compacta — sobre : un homeomorfismo, y . Un diámetro de a tiene los extremos pegados: es un lazo en , y su descripción en coincide con la familia de rotaciones alrededor de de la pregunta 10, barriendo una vuelta completa.
21. es un morfismo y , de modo que ; por la pregunta 16, conjugar una rotación conserva su ángulo y gira su eje mediante . Involuciones: si y solo si . Si , entonces (escalares centrales, de modo que esta factorización es válida) y en el anillo de división , lo que da , excluido; con da , de modo que , : es un puro unitario, y es la media vuelta alrededor de (ángulo , pregunta 5). Centro: si conmuta con todo , entonces , de modo que con ; es continua en el conexo y vale en , luego : conmuta con todo , luego con todo (reescalando), de modo que (pregunta 1) y : el centro es trivial.
22. Como son puros unitarios, es puro (pregunta 18), de modo que
es puro, de norma . Entonces , y
Ambos ejes y están en el plano ortogonal al eje de rotación, y : forman el semiángulo . Esta es la generación clásica: dos medias vueltas alrededor de ejes que forman un ángulo componen la rotación de ángulo alrededor de su perpendicular común.
23. La compacidad es la pregunta 7. Conexión por caminos: es la imagen continua de la esfera conexa por caminos; alternativamente, para con antisimétrica (pregunta 8), es un camino en de a (ortogonal porque , determinante por continuidad desde ). Para : es continuo y sobreyectivo sobre , de modo que es disconexo, para cualquier fijo con (por ejemplo, ), y la multiplicación por la izquierda por es un homeomorfismo: exactamente dos componentes, cada una copia de . El dos a uno, sin sección por la pregunta 19, es así un recubrimiento doble honesto de un grupo compacto conexo por el simplemente conexo — la geometría que hay detrás del truco del cinturón.
24. (i) Matrices:
La traza da : . La parte antisimétrica tiene entradas que codifican el eje en la forma : aquí , que se lee (diccionario de la Parte V) ; con : . (ii) Cuaterniones: , , y
(). Así, : , y la parte vectorial tiene dirección — la misma respuesta, requiriendo la vía cuaterniónica una línea de multiplicación en lugar de un producto de matrices: la razón práctica por la que el software de vuelo compone actitudes en .
25. invertible: da (la antisimetría mata el segundo término): . Ortogonalidad de : usando y que las cuatro matrices , conmutan (expresiones polinómicas en , más límites):
Determinante: , de modo que : . Ningún valor propio : significa para , es decir, : . Inversión: de , resuélvase ; como , es invertible y , que es antisimétrica siempre que sea ortogonal sin el valor propio (transpóngase la expresión y úsese : ). Las dos aplicaciones son mutuamente inversas por construcción: una parametrización racional global del trozo abierto denso de que evita el valor propio — sin series, sin trigonometría, y en dimensión es la sustitución del semiángulo disfrazada.