Mathematics · Libro 5 · Bachelor Year 3

Matemáticas universitarias — Grado 3

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 Rn\R^n — 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 SO(3)SO(3) y su recubrimiento doble cuaterniónico: el álgebra (el Q8Q_8 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 URnU \subseteq \R^n abierto, f ⁣:URnf \colon U \to \R^n de clase C1\mathcal C^1 y aUa \in U con Df(a)Df(a) invertible. Entonces existen abiertos VaV \ni a, Wf(a)W \ni f(a) tales que f ⁣:VWf \colon V \to W es una biyección de inversa C1\mathcal C^1, y

D(f1)(y)=(Df(f1(y)))1(yW).D(f^{-1})(y) = \bigl(Df(f^{-1}(y))\bigr)^{-1} \qquad (y \in W).

Si ff es Ck\mathcal C^k, también lo es f1f^{-1}.

Demostración. Normalicemos: sustituyendo ff por xDf(a)1(f(a+x)f(a))x \mapsto Df(a)^{-1}\bigl(f(a + x) - f(a)\bigr), podemos suponer a=0a = 0, f(0)=0f(0) = 0, Df(0)=IDf(0) = I (el enunciado general se sigue componiendo con las biyecciones afines). Escríbase f(x)=x+g(x)f(x) = x + g(x): Dg(0)=0Dg(0) = 0 y, por continuidad de DgDg, elíjase r>0r > 0 con Dg(x)12\vertiii{Dg(x)} \leq \frac12 en Bˉ(0,r)\bar B(0, r); la desigualdad del valor medio da allí g(x)g(x)12xx\norm{g(x) - g(x')} \leq \frac12 \norm{x - x'}.

Biyectividad sobre un entorno. Para yB(0,r2)y \in B(0, \frac r2), resolver f(x)=yf(x) = y significa hallar un punto fijo de Φy(x)=yg(x)\Phi_y(x) = y - g(x); Φy\Phi_y lleva Bˉ(0,r)\bar B(0, r) en sí mismo (Φy(x)y+12xr\norm{\Phi_y(x)} \leq \norm y + \frac12\norm x \leq r) y es 12\frac12-lipschitziana: Banach (el Teorema 7.4) da una única solución x=φ(y)Bˉ(0,r)x = \varphi(y) \in \bar B(0,r). Además, ff es inyectiva en Bˉ(0,r)\bar B(0,r):

f(x)f(x)xxg(x)g(x)12xx.()\norm{f(x) - f(x')} \geq \norm{x - x'} - \norm{g(x) - g(x')} \geq \tfrac12\norm{x - x'} . \tag{$*$}

Póngase W=B(0,r2)W = B(0, \frac r2) y V=f1(W)B(0,r)V = f^{-1}(W)\cap B(0, r): abierto (continuidad), con f ⁣:VWf \colon V \to W biyectiva.

Continuidad y diferenciabilidad de la inversa. ()(*) dice que φ=f1\varphi = f^{-1} es 22-lipschitziana. Fíjese y0=f(x0)Wy_0 = f(x_0) \in W; la invertibilidad de A=Df(x0)A = Df(x_0) (su distancia a II es 12\leq \frac12: Neumann, la Proposición 8.4) y la diferenciabilidad de ff dan, para y=f(x)y = f(x) próximo a y0y_0:

φ(y)φ(y0)A1(yy0)=A1(f(x)f(x0)A(xx0))=A1o(xx0)=o(yy0),\varphi(y) - \varphi(y_0) - A^{-1}(y - y_0) = -A^{-1}\bigl(f(x) - f(x_0) - A(x - x_0)\bigr) = -A^{-1}\,o(\norm{x - x_0}) = o(\norm{y - y_0}),

usando ()(*) para convertir xx02yy0\norm{x - x_0} \leq 2\norm{y - y_0}: φ\varphi es diferenciable en y0y_0 con la diferencial inversa. Continuidad de yDφ(y)=Df(φ(y))1y \mapsto D\varphi(y) = Df(\varphi(y))^{-1}: composición de aplicaciones continuas (la inversión es continua, Proposición 8.4): φC1\varphi \in \mathcal C^1; y reiterando la misma fórmula se obtiene Ck\mathcal C^k.

Teorema 20.2 (Teorema de la función implícita)

Sea F ⁣:URp×RqRqF \colon U \subseteq \R^p\times\R^q \to \R^q de clase C1\mathcal C^1 cerca de (a,b)(a, b), con F(a,b)=0F(a,b) = 0, y supóngase que la diferencial parcial DyF(a,b)L(Rq)D_yF(a,b) \in \mathcal L(\R^q) es invertible. Entonces existen entornos AaA \ni a, BbB \ni b y una aplicación C1\mathcal C^1 ψ ⁣:AB\psi \colon A \to B con

{(x,y)A×B:F(x,y)=0}={(x,ψ(x)):xA},\bigl\{(x, y)\in A\times B : F(x,y) = 0\bigr\} = \{(x, \psi(x)) : x \in A\},

y Dψ(x)=DyF(x,ψ(x))1DxF(x,ψ(x))D\psi(x) = -D_yF(x, \psi(x))^{-1}\,D_xF(x, \psi(x)).

Demostración. Aplíquese el Teorema 20.1 a Θ(x,y)=(x,F(x,y))\Theta(x, y) = (x, F(x,y)): su diferencial en (a,b)(a,b), triangular por bloques con bloques diagonales invertibles II y DyFD_yF, es invertible. La inversa local tiene la forma Θ1(x,z)=(x,h(x,z))\Theta^{-1}(x, z) = (x, h(x, z)); póngase ψ(x)=h(x,0)\psi(x) = h(x, 0): entonces, localmente, F(x,y)=0F(x, y) = 0 si y solo si Θ(x,y)=(x,0)\Theta(x,y) = (x, 0) si y solo si y=ψ(x)y = \psi(x). La fórmula: derívese F(x,ψ(x))=0F(x, \psi(x)) = 0 por la regla de la cadena.

20.2 Subvariedades: cuatro definiciones

Teorema 20.3 (Caracterizaciones equivalentes)

Sean MRnM \subseteq \R^n, d{0,,n}d \in \{0, \dots, n\} y k1k \geq 1. Son equivalentes, para cada punto aMa \in M (y MM es una subvariedad de dimensión dd y clase Ck\mathcal C^k si se cumplen en todo aMa \in M):

  1. (Enderezamiento) Existe un difeomorfismo Ck\mathcal C^k Φ\Phi de un abierto Ωa\Omega \ni a sobre un abierto ΩRn\Omega' \subseteq \R^n con

    Φ(MΩ)=Ω(Rd×{0}).\Phi(M\cap\Omega) = \Omega' \cap \bigl(\R^d\times\{0\}\bigr).
  2. (Conjunto de nivel) Existe una sumersión Ck\mathcal C^k F ⁣:ΩRndF \colon \Omega \to \R^{n-d} (es decir, con DF(x)DF(x) sobreyectiva) en un abierto Ωa\Omega \ni a con MΩ=F1(0)M\cap\Omega = F^{-1}(0).
  3. (Grafo) Salvo permutación de coordenadas, MM es localmente el grafo de una aplicación Ck\mathcal C^k ψ ⁣:ARdRnd\psi \colon A \subseteq \R^d \to \R^{n-d}.
  4. (Parametrización) Existe una inmersión Ck\mathcal C^k φ ⁣:ARdRn\varphi \colon A \subseteq \R^d \to \R^n (Dφ(u)D\varphi(u) inyectiva) con AA abierto, siendo φ\varphi un homeomorfismo de AA sobre MΩM \cap \Omega para cierto abierto Ωa\Omega \ni a.

Demostración. (1)\Rightarrow(2): F=(Φd+1,,Φn)F = (\Phi_{d+1}, \dots, \Phi_n) (últimas coordenadas de Φ\Phi): una sumersión (DΦD\Phi invertible). (2)\Rightarrow(3): DF(a)DF(a) sobreyectiva: algún menor q×qq \times q del jacobiano es invertible (q=ndq = n - d); tras permutar coordenadas, DyF(a)D_yF(a) es invertible, y el teorema de la función implícita (el Teorema 20.2) expresa MM localmente como un grafo y=ψ(x)y = \psi(x). (3)\Rightarrow(4): φ(x)=(x,ψ(x))\varphi(x) = (x, \psi(x)): una inmersión (diferencial (IDψ)\bigl(\begin{smallmatrix}I\\ D\psi\end{smallmatrix}\bigr) inyectiva) y un homeomorfismo sobre el grafo (inversa: la proyección, continua). (4)\Rightarrow(1): sea φ(u0)=a\varphi(u_0) = a; complétese imDφ(u0)\operatorname{im}D\varphi(u_0) con un suplementario EE (dimE=nd\dim E = n - d) y defínase Θ(u,v)=φ(u)+v\Theta(u, v) = \varphi(u) + v en A×EA\times E: DΘ(u0,0)D\Theta(u_0, 0) es biyectiva (su imagen contiene imDφ(u0)\operatorname{im}D\varphi(u_0) y EE), de modo que Θ\Theta es un difeomorfismo local (el Teorema 20.1); su inversa Φ\Phi endereza: cerca de aa, los puntos de MM son exactamente los φ(u)=Θ(u,0)\varphi(u) = \Theta(u, 0) — para ello, la hipótesis de homeomorfismo en (4) garantiza que MΩM\cap\Omega, para Ω\Omega pequeño, no contiene otras hojas (hay que excluir φ(u)+v=mM\varphi(u') + v = m \in M próximo a aa con v0v \neq 0 pequeño: m=φ(u)m = \varphi(u'') para cierto uu'' próximo a u0u_0 por la propiedad de homeomorfismo, y la inyectividad local de Θ\Theta fuerza v=0v = 0). Entonces Φ(MΩ)=(A×{0})Φ(Ω)\Phi(M\cap\Omega) = (A\times\{0\}) \cap\Phi(\Omega), restringiendo si hace falta.

Ejemplo 20.4

La esfera Sn1={x2=1}S^{n-1} = \{\norm x^2 = 1\}: conjunto de nivel de la sumersión F(x)=x221F(x) = \norm x_2^2 - 1 en Rn{0}\R^n\setminus\{0\} (DF(x)=2xT0DF(x) = 2x^{\mathsf T} \ne 0): una subvariedad C\mathcal C^\infty de dimensión n1n - 1. El toro en R3\R^3: conjunto de nivel de (x2+y2R)2+z2r2\bigl(\sqrt{x^2 + y^2} - R\bigr)^2 + z^2 - r^2 (0<r<R0 < r < R). El cono {x2+y2=z2}\{x^2 + y^2 = z^2\} no es una subvariedad en 00 (el Ejercicio 20.1). Grupos de matrices: SLnSL_n y OnO_n son subvariedades de Mn(R)M_n(\R) (el Ejercicios 20.5 y 20.6) — el punto de partida de la teoría de Lie.

20.3 Espacios tangentes

Definición 20.5

Sean MM una dd-subvariedad y aMa \in M. El espacio tangente TaMT_aM es el conjunto de los vectores velocidad γ(0)\gamma'(0) de las curvas C1\mathcal C^1 γ ⁣:(ε,ε)M\gamma \colon \intoo{-\varepsilon}\varepsilon \to M con γ(0)=a\gamma(0) = a.

Proposición 20.6

TaMT_aM es un subespacio vectorial de Rn\R^n de dimensión dd, y:

  1. si M=F1(0)M = F^{-1}(0) localmente con FF una sumersión: TaM=kerDF(a)T_aM = \ker DF(a);
  2. si MM está parametrizada por la inmersión φ\varphi (φ(u0)=a\varphi(u_0) = a): TaM=imDφ(u0)T_aM = \operatorname{im}D\varphi(u_0).

Demostración. Las curvas de MM cumplen F(γ(t))=0F(\gamma(t)) = 0; la regla de la cadena en 00 da DF(a)γ(0)=0DF(a)\gamma'(0) = 0: TaMkerDF(a)T_aM \subseteq \ker DF(a). Recíprocamente, el enderezamiento (el Teorema 20.3(1)) transporta rectas de Rd×{0}\R^d\times\{0\} a curvas de MM: todo vector de un subespacio de dimensión dd se realiza; comparando dimensiones (dimkerDF(a)=n(nd)=d\dim\ker DF(a) = n - (n - d) = d) se fuerza la igualdad en (1), y el mismo argumento de transporte da (2) (Dφ(u0)D\varphi(u_0) aplicada a rectas de AA; de nuevo las dimensiones).

Teorema 20.7 (Multiplicadores de Lagrange)

Sea M=F1(0)M = F^{-1}(0) con F=(F1,,Fq) ⁣:ΩRqF = (F_1, \dots, F_q) \colon \Omega \to \R^q una sumersión C1\mathcal C^1, y sea f ⁣:ΩRf \colon \Omega \to \R de clase C1\mathcal C^1. Si la restricción fMf\restriction_M tiene un extremo local en aMa \in M, entonces existen números reales únicos λ1,,λq\lambda_1, \dots, \lambda_q (los multiplicadores de Lagrange) con

f(a)=λ1F1(a)++λqFq(a).\nabla f(a) = \lambda_1\nabla F_1(a) + \dots + \lambda_q\nabla F_q(a) .

Demostración. Para toda curva γ\gamma de MM que pase por aa: tf(γ(t))t \mapsto f(\gamma(t)) tiene un extremo local en 00, de modo que 0= ⁣d ⁣dtf(γ(t))0=f(a),γ(0)0 = \frac{\dd}{\dd t}f(\gamma(t))\big|_0 = \langle\nabla f(a), \gamma'(0)\rangle: f(a)TaM=kerDF(a)\nabla f(a) \perp T_aM = \ker DF(a) (la Proposición 20.6). Ahora bien, kerDF(a)=imDF(a)T\ker DF(a)^\perp = \operatorname{im}DF(a)^{\mathsf T} (la identidad de rango y ortogonalidad de segundo año, o el Ejercicio 13.8 en dimensión finita: (kerT)=imT(\ker T)^\perp = \operatorname{im}T^*), que está generado por los gradientes Fi(a)\nabla F_i(a) — independientes, al ser DF(a)DF(a) sobreyectiva: los multiplicadores existen y son únicos.

Ejemplo 20.8 (El teorema espectral, geométricamente)

Sea AA una matriz real simétrica n×nn\times n y maximícese f(x)=Ax,xf(x) = \langle Ax, x\rangle en la esfera Sn1S^{n-1} (compacta: el máximo se alcanza, en cierto v1v_1). Lagrange con F(x)=x21F(x) = \norm x^2 - 1: f=2Ax\nabla f = 2Ax y F=2x\nabla F = 2x dan Av1=λ1v1Av_1 = \lambda_1v_1 — un vector propio, con λ1=maxSn1Ax,x\lambda_1 = \max_{S^{n-1}}\langle Ax, x\rangle. Restrínjase AA a v1v_1^\perp (invariante: Av,v1=v,Av1=λ1v,v1=0\langle Av, v_1\rangle = \langle v, Av_1\rangle = \lambda_1\langle v, v_1\rangle = 0) 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 F1(0)F^{-1}(0) con DFDF sobreyectiva sobre el conjunto (la vía más común), o como un grafo. Para calcular su dimensión y su espacio tangente: d=nqd = n - q y Ta=kerDF(a)T_a = \ker DF(a). 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 C\mathcal C^\infty y dense sus dimensiones: Sn1S^{n-1}; el hiperboloide {x2+y2z2=1}\{x^2 + y^2 - z^2 = 1\}; el toro del Ejemplo 20.4. (b) Demuéstrese que el cono C={x2+y2=z2}R3C = \{x^2 + y^2 = z^2\} \subseteq \R^3 no es una 22-subvariedad en 00: determínese el número de componentes conexas de (C{0})B(0,ε)\bigl(C\setminus\{0\}\bigr)\cap B(0,\varepsilon) 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 F1(0)F^{-1}(0) para una sumersión: x21\norm x^2 - 1 en Rn{0}\R^n\setminus\{0\} (gradiente 2x02x \neq 0): dimensión n1n-1; x2+y2z21x^2 + y^2 - z^2 - 1 (gradiente (2x,2y,2z)0(2x, 2y, -2z) \neq 0 en el hiperboloide, donde x2+y2=1+z2>0x^2 + y^2 = 1 + z^2 > 0): dimensión 22; la función del toro G=(ρR)2+z2r2G = (\rho - R)^2 + z^2 - r^2, ρ=x2+y2\rho = \sqrt{x^2+y^2}, es C\mathcal C^\infty cerca del toro (allí ρRr>0\rho \geq R - r > 0) con G0\nabla G \neq 0 (su componente zz es 2z2z, y donde z=0z = 0 la componente radial vale 2(ρR)02(\rho - R)\ne0, pues ρR=r\abs{\rho - R} = r): dimensión 22.

(b) Para ε\varepsilon pequeño, (C{0})B(0,ε)(C\setminus\{0\})\cap B(0,\varepsilon) tiene exactamente 22 componentes conexas (los mantos superior e inferior punteados, cada uno conexo por caminos: conéctese a través de circunferencias y radios). Si CC fuera una 22-subvariedad en 00, un enderezamiento daría un homeomorfismo de CΩC\cap\Omega sobre un trozo abierto de un plano que enviaría 00 a un punto pp; los entornos planos punteados pequeños de pp tienen una componente, y los homeomorfismos conservan el número de componentes de los entornos punteados: contradicción.

Ejercicio 20.2

Calcúlense los espacios tangentes: (a) TaSn1T_aS^{n-1} para cualquier aa (respuesta: aa^\perp); (b) el plano tangente al toro del Ejemplo 20.4 en un punto arbitrario del ecuador exterior {z=0, x2+y2=(R+r)2}\{z = 0,\ x^2 + y^2 = (R + r)^2\}; (c) la recta tangente a la hélice φ(t)=(cost,sint,t)\varphi(t) = (\cos t, \sin t, t) en φ(t0)\varphi(t_0), comprobando Proposición 20.6(2).

Solución

Solución de Ejercicio 20.2.

(a) TaSn1=ker(2aT)=aT_aS^{n-1} = \ker\bigl(2a^{\mathsf T}\bigr) = a^\perp. (b) En p=((R+r)cosθ,(R+r)sinθ,0)p = ((R+r)\cos\theta, (R+r)\sin\theta, 0): G=(2rcosθ,2rsinθ,0)\nabla G = (2r\cos\theta, 2r\sin\theta, 0), de modo que el plano tangente es Vect((sinθ,cosθ,0), (0,0,1))\operatorname{Vect}\bigl((-\sin\theta, \cos\theta, 0),\ (0, 0, 1)\bigr): el plano vertical tangente al ecuador exterior. (c) La hélice es una curva embebida con φ(t0)=(sint0,cost0,1)0\varphi'(t_0) = (-\sin t_0, \cos t_0, 1) \neq 0: la recta tangente en φ(t0)\varphi(t_0) es φ(t0)+Rφ(t0)\varphi(t_0) + \R\,\varphi'(t_0), como prescribe la Proposición 20.6(2).

Ejercicio 20.3 ★★

Sea f(x,y)=(x2y2, 2xy)f(x, y) = (x^2 - y^2,\ 2xy) (es decir, zz2z \mapsto z^2). (a) ¿En qué puntos se aplica el Teorema 20.1? (b) Demuéstrese que ff es localmente pero no globalmente invertible en R2{0}\R^2\setminus\{0\}, y exhíbanse explícitamente las dos inversas locales definidas en un entorno de (1,0)(1, 0) (las dos ramas de la raíz cuadrada). (c) Misma discusión para la aplicación de coordenadas polares (r,θ)(rcosθ,rsinθ)(r, \theta) \mapsto (r\cos\theta, r\sin\theta).

Solución

Solución de Ejercicio 20.3.

(a) Df(x,y)=(2x2y2y2x)Df(x,y) = \bigl(\begin{smallmatrix}2x & -2y\\ 2y & 2x\end{smallmatrix}\bigr), det=4(x2+y2)\det = 4(x^2 + y^2): el teorema se aplica en todo punto salvo el origen. (b) f(z)=f(z)f(-z) = f(z): nunca inyectiva en un conjunto simétrico respecto de 00; en R2{0}\R^2\setminus\{0\} es difeomorfismo local en todas partes y, sin embargo, 22 a 11 globalmente. Cerca de (1,0)=f(±(1,0))(1, 0) = f(\pm(1, 0)), las dos inversas son las dos ramas de la raíz cuadrada: en notación compleja, w±ww \mapsto \pm\sqrt w (rama principal), i.e.

(u,v)±(u+u2+v22, v2(u+u2+v2)/2).(u, v) \longmapsto \pm\Bigl(\sqrt{\tfrac{u + \sqrt{u^2+v^2}}{2}},\ \frac{v}{2\sqrt{(u + \sqrt{u^2+v^2})/2}}\Bigr).

(c) Jacobiano r>0r > 0: difeomorfismo local en (0,)×R\intoo0\infty\times\R, pero θθ+2π\theta \mapsto \theta + 2\pi da el mismo punto: localmente invertible (el ángulo queda determinado salvo 2π2\pi en un semiplano), nunca globalmente.

Ejercicio 20.4 ★★

(Folium) Sean F(x,y)=x3+y33xyF(x,y) = x^3 + y^3 - 3xy y C=F1(0)\mathcal C = F^{-1}(0). (a) Demuéstrese que, cerca de todo punto de C\mathcal C distinto del origen, C\mathcal C es una 11-subvariedad, localmente un grafo en xx o en yy (¿cuál, dónde?). (b) Calcúlese la recta tangente en (32,32)(\frac32, \frac32). (c) ¿Qué ocurre en el origen? (Se cruzan dos ramas: exhíbanse dos curvas C1\mathcal C^1 de C\mathcal C que pasen por 00 con velocidades independientes, y conclúyase que no existe enderezamiento.)

Solución

Solución de Ejercicio 20.4.

(a) F=3(x2y, y2x)\nabla F = 3(x^2 - y,\ y^2 - x) se anula si y solo si y=x2y = x^2 y x=y2x = y^2, es decir, x4=xx^4 = x: en (0,0)(0,0) y (1,1)(1,1); solo (0,0)(0,0) está en C\mathcal C (F(1,1)=1F(1,1) = -1). Así, en C{0}\mathcal C\setminus\{0\}, FF es una sumersión: una 11-subvariedad, localmente un grafo y=ψ(x)y = \psi(x) donde Fy=3(y2x)0F_y = 3(y^2 - x) \neq 0 y x=χ(y)x = \chi(y) donde Fx=3(x2y)0F_x = 3(x^2 - y) \neq 0 (al menos una se cumple fuera del origen).

(b) En (32,32)(\frac32, \frac32): F=3(9432)(1,1)=94(1,1)\nabla F = 3(\frac94 - \frac32) (1, 1) = \frac94(1,1): recta tangente x+y=3x + y = 3.

(c) La parametrización racional x=3t1+t3x = \frac{3t}{1 + t^3}, y=3t21+t3y = \frac{3t^2}{1+t^3} pasa por 00 en t=0t = 0 con velocidad (3,0)(3, 0); intercambiando xyx \leftrightarrow y (la curva es simétrica, o reparametrícese por 1/t1/t) se obtiene una segunda curva C1\mathcal C^1 por 00 con velocidad (0,3)(0, 3). Dos direcciones tangentes independientes son imposibles en una 11-subvariedad (su espacio tangente es una recta, la Proposición 20.6): C\mathcal C no es una subvariedad en el origen — una autointersección transversal.

Ejercicio 20.5 ★★

Sea F(M)=MTMF(M) = M^{\mathsf T}M de Mn(R)M_n(\R) en el espacio SnS_n de las matrices simétricas. (a) Demuéstrese que DF(M)(H)=MTH+HTMDF(M)(H) = M^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}M y que DF(M)DF(M) es sobreyectiva sobre SnS_n en todo MOnM \in O_n (dada SSnS \in S_n, pruébese con H=12MSH = \frac12MS). (b) Conclúyase que On=F1(I)O_n = F^{-1}(I) es una subvariedad C\mathcal C^\infty compacta de dimensión n(n1)2\frac{n(n-1)}2, con TIOn={H:HT=H}T_IO_n = \{H : H^{\mathsf T} = -H\}, las matrices antisimétricas. (c) Demuéstrese que etHOn\eu^{tH} \in O_n para toda HH antisimétrica: las direcciones tangentes se integran en curvas dentro del grupo.

Solución

Solución de Ejercicio 20.5.

(a) F(M+H)=MTM+MTH+HTM+HTHF(M + H) = M^{\mathsf T}M + M^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}M + H^{\mathsf T}H: DF(M)(H)=MTH+HTMDF(M)(H) = M^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}M. Para MOnM \in O_n y SS simétrica, H=12MSH = \frac12MS da DF(M)(H)=12(S+ST)=SDF(M)(H) = \frac12(S + S^{\mathsf T}) = S: sobreyectiva sobre SnS_n.

(b) On=F1(I)O_n = F^{-1}(I) con FF una sumersión (sobre SnS_n, de dimensión n(n+1)2\frac{n(n+1)}2) en cada uno de sus puntos: una subvariedad de dimensión n2n(n+1)2=n(n1)2n^2 - \frac{n(n+1)}2 = \frac{n(n-1)}2. Compacta: cerrada (FF continua) y acotada (las columnas son vectores unitarios). Tangente en II: kerDF(I)={H:H+HT=0}\ker DF(I) = \{H : H + H^{\mathsf T} = 0\}.

(c) (etH)TetH=etHTetH=etHetH=I\bigl(\eu^{tH}\bigr)^{\mathsf T}\eu^{tH} = \eu^{tH^{\mathsf T}}\eu^{tH} = \eu^{-tH}\eu^{tH} = I (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 det ⁣:Mn(R)R\det \colon M_n(\R) \to \R tiene diferencial Ddet(M)(H)=tr(com(M)TH)D\det(M)(H) = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{com}(M) ^{\mathsf T}H\bigr), no nula en todo MSLnM \in SL_n. (b) Conclúyase que SLn(R)SL_n(\R) es una subvariedad de dimensión n21n^2 - 1 con TISLn={H:trH=0}T_ISL_n = \{H : \operatorname{tr}H = 0\}. (c) ¿Es GLn(R)GL_n(\R) una subvariedad? ¿De qué dimensión?

Solución

Solución de Ejercicio 20.6.

(a) det(M+H)=detMdet(I+M1H)=detM(1+tr(M1H)+O(H2))\det(M + H) = \det M\,\det(I + M^{-1}H) = \det M\bigl(1 + \operatorname{tr}(M^{-1}H) + O(\norm H^2)\bigr) para MM invertible (desarrollo de det\det cerca de II: el término lineal de (1+λi)\prod(1 + \lambda_i)); con detMM1=com(M)T\det M\cdot M^{-1} = \operatorname{com}(M)^{\mathsf T}: Ddet(M)(H)=tr(com(M)TH)D\det(M)(H) = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{com} (M)^{\mathsf T}H\bigr), y la fórmula se extiende a toda MM por densidad y continuidad. En SLnSL_n, detM=1\det M = 1: Ddet(M)0D\det(M) \ne 0 (su valor en H=MH = M es tr(I)=ndetM=n\operatorname{tr}(I)\cdot\dots = n\det M = n).

(b) SLn=det1(1)SL_n = \det^{-1}(1) con det\det una sumersión allí (con valores en R\R): dimensión n21n^2 - 1; TISLn=kerDdet(I)={H:trH=0}T_ISL_n = \ker D\det(I) = \{H : \operatorname{tr}H = 0\}.

(c) GLnGL_n es un subconjunto abierto de Mn(R)M_n(\R) (el Ejercicio 6.8): una subvariedad de dimensión total n2n^2 (enderezamiento: la carta identidad).

Ejercicio 20.7 ★★

Por multiplicadores de Lagrange: (a) hállense los extremos de f(x,y)=xyf(x,y) = xy en la circunferencia x2+y2=1x^2 + y^2 = 1; (b) demuéstrese que, entre todos los vectores de probabilidad (p1,,pn)(p_1, \dots, p_n) (positivos y de suma 11), la entropía pilnpi-\sum p_i\ln p_i se maximiza exactamente en la distribución uniforme; (c) hállese el punto de la elipse {x2/4+y2=1}\{x^2/4 + y^2 = 1\} más próximo a (1,0)(1, 0), y compruébese geométricamente la ecuación de los multiplicadores (alineamiento normal).

Solución

Solución de Ejercicio 20.7.

(a) (y,x)=λ(2x,2y)(y, x) = \lambda(2x, 2y) y x2+y2=1x^2 + y^2 = 1: y=2λxy = 2\lambda x, x=2λyx = 2\lambda y dan x2=y2=12x^2 = y^2 = \frac12. Valores de xyxy: ±12\pm\frac12: máximo 12\frac12 en ±12(1,1)\pm\frac1{\sqrt2}(1,1), mínimo 12-\frac12 en ±12(1,1)\pm\frac1{\sqrt2}(1,-1) (el conjunto de restricción es compacto: los extremos existen).

(b) En el interior del símplex (pi>0p_i > 0), Lagrange para H(p)=pilnpiH(p) = -\sum p_i\ln p_i con la restricción pi=1\sum p_i = 1: lnpi1=λ-\ln p_i - 1 = \lambda para todo ii: todos los pip_i iguales, pi=1np_i = \frac1n, con H=lnnH = \ln n. El máximo sobre el símplex compacto se alcanza; si se alcanzara en la frontera (algún pi=0p_i = 0), la distribución vive en n1\leq n - 1 puntos y por inducción Hln(n1)<lnnH \leq \ln(n-1) < \ln n: el punto crítico interior es el máximo global — la ignorancia uniforme maximiza la entropía.

(c) Minimícese (x1)2+y2(x-1)^2 + y^2 en la elipse compacta: (2(x1),2y)=λ(x2,2y)(2(x{-}1), 2y) = \lambda(\frac x2, 2y). Si y0y \neq 0: λ=1\lambda = 1, y entonces 2(x1)=x22(x - 1) = \frac x2 da x=43x = \frac43, y2=149=59y^2 = 1 - \frac49 = \frac59: distancia2^2 =19+59=23= \frac19 + \frac59 = \frac23. Si y=0y = 0: x=±2x = \pm2, distancias 11 y 33. Puntos más próximos: (43,±53)\bigl(\frac43, \pm\frac{\sqrt5}3\bigr), a distancia 2/3<1\sqrt{2/3} < 1. La ecuación de los multiplicadores dice que el segmento de (1,0)(1,0) al punto más próximo es paralelo a \nabla(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 λ1λn\lambda_1 \geq \dots \geq \lambda_n 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 nn; n=1n = 1 es trivial. La función de Rayleigh f(x)=Ax,xf(x) = \langle Ax, x\rangle alcanza su máximo λ1\lambda_1 en la compacta Sn1S^{n-1}, en cierto v1v_1; Lagrange (el Teorema 20.7, con la esfera como conjunto de nivel) da 2Av1=2λv12Av_1 = 2\lambda v_1, y λ=Av1,v1=λ1\lambda = \langle Av_1, v_1\rangle = \lambda_1. El hiperplano v1v_1^\perp es AA-invariante (simetría: Av,v1=v,Av1=0\langle Av, v_1\rangle = \langle v, Av_1\rangle = 0); la restricción es simétrica, y la inducción produce una base ortonormal de vectores propios v2,,vnv_2, \dots, v_n de v1v_1^\perp con valores propios λ2λn\lambda_2 \geq \dots \geq \lambda_n, cada uno el máximo de ff en la esfera del ortocomplemento restante. Courant–Fischer se sigue exactamente como en el Ejercicio 15.8: desarróllese x=civix = \sum c_iv_i; en un espacio de prueba de dimensión kk, interséquese con Vect(vk,,vn)\operatorname{Vect}(v_k, \dots, v_n) (recuento de dimensiones en Rn\R^n) para obtener minλk\min \leq \lambda_k, y Vect(v1,,vk)\operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_k) alcanza min=λk\min = \lambda_k.

Ejercicio 20.9 ★★★

(Desigualdad de Hadamard) Para MGLn(R)M \in GL_n(\R) de columnas c1,,cnc_1, \dots, c_n:

detM    i=1nci2,\abs{\det M} \;\leq\; \prod_{i=1}^n\norm{c_i}_2 ,

con igualdad si y solo si las columnas son ortogonales. (Redúzcase a columnas de norma 11 reescalando; maximícese det\det en el producto compacto de esferas (Sn1)n(S^{n-1})^n; en un maximizador, Lagrange en cada columna por separado da cidet=λici\nabla_{c_i}\det = \lambda_ic_i, y cidet\nabla_{c_i}\det es la ii-ésima columna de com(M)\operatorname{com}(M): dedúzcase que MTMM^{\mathsf T}M es diagonal, luego =I= I y por tanto det=±1\det = \pm1.) 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 det\abs{\det} por ci\prod\norm{c_i}: basta demostrar detM1\abs{\det M} \leq 1 cuando todas las columnas son unitarias, con igualdad si y solo si MOnM \in O_n. La función det\det es continua en el compacto (Sn1)n(S^{n-1})^n: alcanza un máximo mdetI=1>0m \geq \det I = 1 > 0 en cierta MM. Fijando todas las columnas salvo la ii-ésima, det\det es lineal en cic_i con gradiente la ii-ésima columna de com(M)\operatorname{com}(M); Lagrange en la ii-ésima esfera: com(M)i=λici\operatorname{com}(M)_{\cdot i} = \lambda_i c_i. La identidad MTcom(M)=det(M)IM^{\mathsf T}\operatorname{com}(M) = \det(M)\,I se lee cj,com(M)i=det(M)δij\langle c_j, \operatorname{com}(M)_{\cdot i}\rangle = \det(M)\,\delta_{ij}, es decir, λicj,ci=det(M)δij\lambda_i\langle c_j, c_i\rangle = \det(M)\delta_{ij}; tomando j=ij = i: λi=detM=m0\lambda_i = \det M = m \neq 0, y entonces jij \neq i da ci,cj=0\langle c_i, c_j\rangle = 0: las columnas son ortonormales, MOnM \in O_n, m=detM=1m = \abs{\det M} = 1. Por tanto, detci\abs{\det} \leq \prod\norm{c_i} 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 S1S^1 un grafo y=ψ(x)y = \psi(x)? ¿Un grafo x=χ(y)x = \chi(y)? Verifíquese explícitamente la caracterización por grafos (el Teorema 20.3(3)) en (1,0)(1, 0), y explíquese en una frase por qué alguna permutación de coordenadas basta siempre pero ninguna fija sirve siempre.

Solución

Solución de Ejercicio 20.10.

y=±1x2y = \pm\sqrt{1 - x^2} sirve cerca de todo punto con y0y \neq 0; x=±1y2x = \pm\sqrt{1 - y^2} cerca de todo punto con x0x \neq 0; en (1,0)(1, 0): el grafo x=1y2x = \sqrt{1 - y^2} sobre y(1,1)y \in \intoo{-1}1, 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 On={M:MTM=I}O_n = \{M : M^{\mathsf T}M = I\} es compacto: acotado (cada columna es un vector unitario, de modo que Mn\norm M \leq \sqrt n para la norma matricial euclídea) y cerrado. (b) Demuéstrese que su espacio tangente en II es el espacio de las matrices antisimétricas, de dimensión n(n1)2\frac{n(n-1)}2, y en un AOnA \in O_n general: TAOn={AK:KT=K}T_AO_n = \{AK : K^{\mathsf T} = -K\}. (c) Dedúzcase que la aplicación tAexp(tK)t \mapsto A\exp(tK) es, para cada KK antisimétrica, una curva en OnO_n que pasa por AA con velocidad AKAK (verifíquese exp(tK)On\exp(tK) \in O_n usando exp(X)T=exp(XT)\exp(X)^{\mathsf T} = \exp(X^{\mathsf T}) y exp(X)exp(X)=I\exp(-X)\exp(X) = I): 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 F(M)=MTMIF(M) = M^{\mathsf T}M - I es continua: On=F1(0)O_n = F^{-1}(0) es cerrado; las columnas de una matriz ortogonal son vectores unitarios, de modo que la norma euclídea (de Frobenius) vale exactamente n\sqrt n: acotado. Compacto por Heine–Borel en Mn(R)Rn2M_n(\R) \cong \R^{n^2}.

(b) OnO_n es el conjunto de nivel F=0F = 0 estudiado en el capítulo: DF(A)H=ATH+HTADF(A)H = A^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}A, sobreyectiva sobre las matrices simétricas en cada AOnA \in O_n (dada SS simétrica, tómese H=12ASH = \frac12AS), de modo que OnO_n es una subvariedad de dimensión n2n(n+1)2=n(n1)2n^2 - \frac{n(n+1)}2 = \frac{n(n-1)}2 con

TAOn=kerDF(A)={H:ATH antisymmetric}={AK:KT=K};T_AO_n = \ker DF(A) = \{H : A^{\mathsf T}H \text{ antisymmetric}\} = \{AK : K^{\mathsf T} = -K\} ;

en A=IA = I son las matrices antisimétricas.

(c) exp(tK)Texp(tK)=exp(tKT)exp(tK)=exp(tK)exp(tK)=I\exp(tK)^{\mathsf T}\exp(tK) = \exp(tK^{\mathsf T}) \exp(tK) = \exp(-tK)\exp(tK) = I (las dos matrices ±tK\pm tK conmutan, de modo que el producto de exponenciales es la exponencial de la suma): exp(tK)On\exp(tK) \in O_n, y γ(t)=Aexp(tK)\gamma(t) = A\exp(tK) es una curva en OnO_n con γ(0)=A\gamma(0) = A, γ(0)=AK\gamma'(0) = AK. Cuando KK recorre las matrices antisimétricas, AKAK barre TAOnT_AO_n: la exponencial realiza todo el espacio tangente con curvas explícitas — el atajo de grupos de Lie que el Problema 20.1 explota para SO(3)SO(3).

Ejercicio 20.12 ★★

(Puntos críticos de la distancia) Sean MRnM \subseteq \R^n una subvariedad y pMp \notin M. Demuéstrese que si x0Mx_0 \in M minimiza la distancia a pp (tal punto existe cuando MM es cerrada y no vacía — ¿por qué?), entonces

px0    Tx0Mp - x_0 \;\perp\; T_{x_0}M

(derívese tγ(t)p2t \mapsto \norm{\gamma(t) - p}^2 a lo largo de curvas de MM). 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 p=(2,0)p = (2, 0) a la parábola y=x2y = x^2 (redúzcase a una cúbica y resuélvase numéricamente con tres cifras).

Solución

Solución de Ejercicio 20.12.

Existencia: interséquese MM con una bola cerrada grande alrededor de pp 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 γ\gamma de MM con γ(0)=x0\gamma(0) = x_0, la función h(t)=γ(t)p2h(t) = \norm{\gamma(t) - p}^2 es derivable con un mínimo en 00:

0=h(0)=2γ(0), x0p,0 = h'(0) = 2\,\langle\gamma'(0),\ x_0 - p\rangle,

y γ(0)\gamma'(0) barre Tx0MT_{x_0}M: px0Tx0Mp - x_0 \perp T_{x_0}M. Esfera S(c,r)S(c, r): el espacio tangente en x0x_0 es (x0c)(x_0 - c)^\perp, de modo que px0x0cp - x_0 \parallel x_0 - c: x0x_0 está en la recta que pasa por cc y pp, a distancia rr de cc — el punto del radio, como insiste la geometría. Parábola: en x0=(x,x2)x_0 = (x, x^2) la tangente está generada por (1,2x)(1, 2x); la ortogonalidad a px0=(2x,x2)p - x_0 = (2 - x, -x^2) se lee

(2x)2x3=0,es decir2x3+x2=0,(2 - x) - 2x^3 = 0, \qquad\text{es decir}\qquad 2x^3 + x - 2 = 0,

con única raíz real (x2x3+xx \mapsto 2x^3 + x es estrictamente creciente) x0.835x \approx 0.835; entonces x0(0.835,0.698)x_0 \approx (0.835, 0.698) y d(p,M)=(20.835)2+0.69821.358d(p, M) = \sqrt{(2 - 0.835)^2 + 0.698^2} \approx 1.358.

20.5 Problema: SO(3)SO(3) y los cuaterniones

Problema 20.1

Problema de fin de semana — rotaciones, el grupo S3S^3 y el recubrimiento doble

Los cuaterniones H={t+xi+yj+zk}\mathbb H = \{t + x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k\} — el álgebra cuyo grupo de unidades contiene el Q8Q_8 del Problema 1.1 — parametrizan las rotaciones tridimensionales por partida doble: la aplicación «conjugar por un cuaternión unitario» es un morfismo sobreyectivo S3SO(3)S^3 \to SO(3) de núcleo {±1}\{\pm1\}. Lo construiremos todo. Recuérdese o defínase: la multiplicación es R\R-bilineal con i2=j2=k2=ijk=1\mathrm i^2 = \mathrm j^2 = \mathrm k^2 = \mathrm{ijk} = -1; el conjugado de q=t+xi+yj+zkq = t + x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k es qˉ=txiyjzk\bar q = t - x\mathrm i - y\mathrm j - z\mathrm k; N(q)=qqˉ=t2+x2+y2+z2N(q) = q\bar q = t^2 + x^2 + y^2 + z^2.

Parte I — El álgebra H\mathbb H y el grupo S3S^3.

  1. Verificar que H\mathbb H es un álgebra asociativa sobre R\R de centro R\R, que pq=qˉpˉ\overline{pq} = \bar q\,\bar p y que N(pq)=N(p)N(q)N(pq) = N(p)N(q) (una vía limpia: represéntese qq como la matriz compleja 2×22\times2 (αββˉαˉ)\bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ -\bar\beta & \bar\alpha\end{smallmatrix}\bigr), q=α+βjq = \alpha + \beta\mathrm j, y úsese det\det).
  2. Dedúzcase que todo q0q \neq 0 es invertible (q1=qˉ/N(q)q^{-1} = \bar q/N(q)): H\mathbb H es un cuerpo (no conmutativo) y S3={N(q)=1}S^3 = \{N(q) = 1\} es un grupo — y una 33-subvariedad compacta de R4\R^4 (Ejemplo 20.4).

Parte II — El morfismo de rotación. Identifíquese R3\R^3 con los cuaterniones puros P={xi+yj+zk}P = \{x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k\}, y para qS3q \in S^3 defínase ρq(v)=qvqˉ\rho_q(v) = q\,v\,\bar q.

  1. Demostrar que ρq\rho_q lleva PP en PP (los cuaterniones puros son los de vˉ=v\bar v = -v), es R\R-lineal, conserva la norma, y que ρ ⁣:qρq\rho \colon q \mapsto \rho_q es un morfismo de grupos S3O(3)S^3 \to O(3).
  2. Calcular el núcleo: ρq=id\rho_q = \mathrm{id} si y solo si qq conmuta con i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k si y solo si qRS3={±1}q \in \R\cap S^3 = \{\pm1\}.
  3. Escríbase q=cosθ2+sinθ2uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u con uPu \in P, N(u)=1N(u) = 1 (¿por qué es siempre posible para qS3q \in S^3?). Demostrar que ρq\rho_q fija uu y, en el plano uPu^\perp\cap P, actúa como la rotación de ángulo θ\theta (calcúlese ρq(w)\rho_q(w) para wuw \perp u usando uw=wuuw = -wu para unidades puras ortogonales — demuéstrese esta identidad a partir de la tabla de multiplicar, o de uw+wu=2u,wuw + wu = -2\langle u, w\rangle).
  4. Conclúyase: imρSO(3)\operatorname{im}\rho \subseteq SO(3) (cada ρq\rho_q es una rotación de eje y ángulo los calculados — determinante +1+1 por continuidad de qdetρqq \mapsto \det\rho_q en el conexo S3S^3, o directamente), y ρ\rho es sobreyectivo sobre SO(3)SO(3): toda rotación de R3\R^3 tiene un eje (demuéstrese: una matriz ortogonal real 3×33\times3 con det=1\det = 1 tiene el valor propio 11 — considérese el polinomio característico) y es, por tanto, algún ρq\rho_q. Resumen:

    SO(3)    S3/{±1}.SO(3) \;\cong\; S^3/\{\pm 1\} .

Parte III — SO(3)SO(3) como subvariedad; Rodrigues.

  1. Demostrar que SO(3)SO(3) es una subvariedad compacta de dimensión 33 de M3(R)M_3(\R) con TISO(3)=T_ISO(3) = las matrices antisimétricas (el Ejercicio 20.5; la condición sobre el determinante selecciona una unión de componentes).
  2. Para la matriz antisimétrica AuA_u asociada a uR3u \in \R^3 (Auv=uvA_uv = u\wedge v, el producto vectorial), demuéstrese la fórmula de Rodrigues:

    eθAu=I+sinθAu+(1cosθ)Au2(u=1)\eu^{\theta A_u} = I + \sin\theta\,A_u + (1 - \cos\theta)\,A_u^2 \qquad (\norm u = 1)

    (a partir de Au3=AuA_u^3 = -A_u: pártase la serie exponencial según las potencias de AuA_u), e identifíquese como la rotación de eje uu y ángulo θ\theta. Dedúzcase que exp\exp lleva las matrices antisimétricas sobre SO(3)SO(3).

  3. Relációnense las dos parametrizaciones: demuéstrese que tρq(t)t \mapsto \rho_{q(t)} con q(t)=cost2+sint2uq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,u es un grupo uniparamétrico de rotaciones cuya derivada en t=0t = 0 es AuA_u — 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.

  1. Demostrar que el camino q(t)=cost2+sint2kq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,\mathrm k, t[0,2π]t \in \intcc0{2\pi}, es un lazo en SO(3)SO(3) (su imagen ρq(t)\rho_{q(t)} vuelve a la identidad) cuyo levantamiento cuaterniónico no es un lazo: q(2π)=q(0)q(2\pi) = -q(0). Continuando hasta t=4πt = 4\pi se cierra el levantamiento. Explíquese en un párrafo breve qué significa esto: una rotación de 2π2\pi no se puede deshacer continuamente mientras que una de 4π4\pi sí (el truco del cinturón), porque los lazos de SO(3)SO(3) se detectan en su recubrimiento doble S3S^3.
  2. Dedúzcase también el dividendo práctico: componer rotaciones = multiplicar cuaterniones (44 multiplicaciones de datos en lugar de 99, sin deriva de la ortogonalidad) — verifíquese con la composición de dos cuartos de vuelta alrededor de i\mathrm i y j\mathrm j: calcúlense el eje y el ángulo del producto.

Parte V — La matriz explícita: Euler–Rodrigues. Escríbase q=a+bi+cj+dkS3q = a + b\mathrm i + c\mathrm j + d\mathrm k \in S^3, de modo que a2+b2+c2+d2=1a^2 + b^2 + c^2 + d^2 = 1.

  1. Calcúlese ρq(i)\rho_q(\mathrm i) íntegramente a partir de la tabla de multiplicar; obténganse después ρq(j)\rho_q(\mathrm j) y ρq(k)\rho_q(\mathrm k) mediante la sustitución cíclica ijki\mathrm i \to \mathrm j \to \mathrm k \to \mathrm i, (b,c,d)(c,d,b)(b, c, d) \to (c, d, b) (justifíquese: la permutación cíclica i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k se extiende a un automorfismo de H\mathbb H, porque las relaciones de definición son cíclicamente simétricas). Conclúyase que la matriz de ρq\rho_q en la base (i,j,k)(\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k) es la matriz de Euler–Rodrigues

    Rq=(a2+b2c2d22(bcad)2(bd+ac)2(bc+ad)a2b2+c2d22(cdab)2(bdac)2(cd+ab)a2b2c2+d2).R_q = \begin{pmatrix} a^2 + b^2 - c^2 - d^2 & 2(bc - ad) & 2(bd + ac)\\ 2(bc + ad) & a^2 - b^2 + c^2 - d^2 & 2(cd - ab)\\ 2(bd - ac) & 2(cd + ab) & a^2 - b^2 - c^2 + d^2 \end{pmatrix}.
  2. (Leer una rotación al revés) Demuéstrese que

    trRq=4a21=1+2cosθ,12(RqRqT)=sinθAu,\operatorname{tr}R_q = 4a^2 - 1 = 1 + 2\cos\theta, \qquad \tfrac12\bigl(R_q - R_q^{\mathsf T}\bigr) = \sin\theta\,A_u,

    con la notación de las preguntas 5 y 8. Dedúzcase un algoritmo que recupere ±q\pm q a partir de una matriz de rotación RR: el ángulo, de la traza; el eje, de la parte antisimétrica cuando 0<θ<π0 < \theta < \pi; y, cuando θ=π\theta = \pi, demuéstrese y úsese la identidad R+I=2uuTR + I = 2\,uu^{\mathsf T}.

  3. Evalúese RqR_q para el producto q=12(1+i+j+k)q = \frac12(1 + \mathrm i + \mathrm j + \mathrm k) 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 S3S^3: SU(2)SU(2), clases de conjugación, exponenciales.

  1. Demostrar que la representación matricial de la pregunta 1 (llámese Φ\Phi) se restringe a un isomorfismo de grupos de S3S^3 sobre el grupo unitario especial

    SU(2)={UM2(C):UU=I, detU=1}SU(2) = \bigl\{U \in M_2(\C) : U^*U = I,\ \det U = 1\bigr\}

    (para la sobreyectividad, escríbanse las ecuaciones U1=UU^{-1} = U^* y detU=1\det U = 1 para una matriz compleja 2×22\times2 general).

  2. Demostrar que la parte real es un invariante de conjugación en S3S^3Re(pqpˉ)=Req\operatorname{Re}(pq\bar p) = \operatorname{Re}q para todos pS3p \in S^3 — y, recíprocamente, que dos cuaterniones unitarios con la misma parte real son conjugados en S3S^3 (redúzcase a llevar un eje puro unitario sobre otro, cosa que proporciona la Parte II). Descríbanse geométricamente las clases de conjugación de S3S^3; tradúzcase a SU(2)SU(2) (conjuntos de nivel de la traza); y proyéctese por ρ\rho: dos rotaciones son conjugadas en SO(3)SO(3) si y solo si tienen el mismo ángulo θ[0,π]\theta \in \intcc0\pi.
  3. Defínase exp\exp en H\mathbb H por la serie exponencial; compruébese la convergencia absoluta usando pq=pq\abs{pq} = \abs p\,\abs q para q=N(q)\abs q = \sqrt{N(q)}. Demuéstrese, para uu puro unitario y θR\theta \in \R,

    exp(θu)=cosθ+sinθu,\exp(\theta u) = \cos\theta + \sin\theta\,u ,

    dedúzcase que exp\exp lleva el hiperplano PP sobre S3S^3, y compruébese que ρexp(su)=e2sAu\rho_{\exp(su)} = \eu^{2sA_u}: de nuevo el fenómeno del semiángulo de la pregunta 9.

  4. Para cuaterniones puros v,wv, w, demuéstrese la regla del producto vw=v,w+vwvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w y, por tanto, la identidad del conmutador vwwv=2vwvw - wv = 2\,v\wedge w; demuéstrese también [Av,Aw]=Avw[A_v, A_w] = A_{v\wedge w} para las matrices de la pregunta 8. Conclúyase que la derivada de ρ\rho en 11 a lo largo de las curvas texp(tv)t \mapsto \exp(tv) es el isomorfismo lineal v2Avv \mapsto 2A_v de PP sobre las matrices antisimétricas, y que transporta el conmutador de cuaterniones al conmutador de matrices.

Parte VII — Estructura global.

  1. (No hay sección continua) Supóngase que s ⁣:SO(3)S3s \colon SO(3) \to S^3 es continua con ρs=id\rho \circ s = \operatorname{id}. Para el lazo R(t)=ρq(t)R(t) = \rho_{q(t)} de la pregunta 10, póngase ε(t)=s(R(t))q(t)1\varepsilon(t) = s(R(t))\,q(t)^{-1} para t[0,2π]t \in \intcc0{2\pi}. Demuéstrese que ε\varepsilon es continua con valores en {±1}\{\pm1\}, y dedúzcase una contradicción: no existe ninguna elección global continua de un cuaternión unitario que represente cada rotación.
  2. (El modelo de la bola) Sean BˉR3\bar B \subseteq \R^3 la bola cerrada de radio π\pi y E(v)=eAvE(v) = \eu^{A_v}, con E(0)=IE(0) = I. Demuéstrese que EE lleva Bˉ\bar B sobre SO(3)SO(3), es inyectiva en la bola abierta y, en la esfera frontera, identifica exactamente los antípodas: E(πu)=E(πu)=2uuTIE(\pi u) = E(-\pi u) = 2uu^{\mathsf T} - I, sin ninguna otra coincidencia. Así, SO(3)SO(3) es la bola con los puntos frontera antipodales pegados — el espacio proyectivo RP3\mathbb{RP}^3 — y un diámetro se convierte en el lazo no contráctil de la pregunta 10.
  3. Demostrar que ρpρqρp1=ρpqpˉ\rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p}; que las involuciones de SO(3)SO(3) (los RIR \neq I con R2=IR^2 = I) son exactamente las medias vueltas ρw\rho_w con ww un cuaternión puro unitario; y que el centro de SO(3)SO(3) es trivial.
  4. Demostrar que toda rotación es producto de dos medias vueltas: para q=cosθ2+sinθ2uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u, elíjase un wuw \perp u puro unitario, compruébese que w=qww' = qw es de nuevo un cuaternión puro unitario y verifíquese ρq=ρwρw\rho_q = \rho_{w'}\rho_w. ¿Dónde están los dos ejes y qué ángulo forman?
  5. Conclúyase el resumen topológico: SO(3)SO(3) es compacto y conexo por caminos (dense dos demostraciones: imagen continua de S3S^3 por ρ\rho; imagen de exp\exp), mientras que O(3)O(3) tiene exactamente dos componentes conexas, cada una homeomorfa a SO(3)SO(3).
  6. (Una composición, de tres maneras) Sean R1R_1 la rotación de π2\frac\pi2 alrededor del eje zz y R2R_2 la rotación de π2\frac\pi2 alrededor del eje xx. Calcúlense el eje y el ángulo de R2R1R_2R_1: (i) multiplicando las dos matrices 3×33\times3 y usando la traza y la parte antisimétrica (Parte V); (ii) multiplicando los cuaterniones unitarios correspondientes q2q1q_2q_1. Compruébese que ambas respuestas coinciden: ángulo 2π3\frac{2\pi}3, eje 13(1,1,1)\frac1{\sqrt3}(1, -1, 1).
  7. (La transformación de Cayley) Para KK antisimétrica, demuéstrese que I+KI + K es invertible y

    C(K)=(IK)(I+K)1SO(n),C(K) = (I - K)(I + K)^{-1} \in SO(n),

    sin que 1-1 sea nunca valor propio de C(K)C(K); demuéstrese que KC(K)K \mapsto C(K) es una biyección de las matrices antisimétricas sobre {RSO(n):1SpR}\{R \in SO(n) : -1 \notin \operatorname{Sp}R\}, con inversa R(IR)(I+R)1R \mapsto (I - R)(I + R)^{-1}. (Una carta racional de SO(n)SO(n), compañera de la exp\exp trascendente de Ejercicio 20.11.)

Solución

Solución de Problema 20.1.

1. Aplicación q=t+xi+yj+zk(αββˉαˉ)q = t + x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k \mapsto \bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ -\bar\beta & \bar\alpha\end{smallmatrix}\bigr) con α=t+ix\alpha = t + \iu x, β=y+iz\beta = y + \iu z: se comprueba que 1,i,j,k1, \mathrm i, \mathrm j, \mathrm k van a II, (i00i)\bigl(\begin{smallmatrix} \iu & 0\\ 0 & -\iu\end{smallmatrix}\bigr), (0110)\bigl(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ -1 & 0\end{smallmatrix}\bigr), (0ii0)\bigl(\begin{smallmatrix}0 & \iu\\ \iu & 0\end{smallmatrix}\bigr), cuyos productos reproducen la tabla de los cuaterniones: la aplicación es un morfismo inyectivo de álgebras, de modo que H\mathbb H hereda la asociatividad; N(q)=α2+β2=detN(q) = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2 = \det es multiplicativa, y la conjugación corresponde a la traspuesta de la adjunta, lo que da pq=qˉpˉ\overline{pq} = \bar q\bar p. Centro: conmutar con i\mathrm i obliga a y=z=0y = z = 0, y con j\mathrm j obliga a x=0x = 0: R\R.

2. qqˉ=N(q)q\bar q = N(q): para q0q \neq 0, q1=qˉ/N(q)q^{-1} = \bar q/N(q): un álgebra de división. En S3S^3: N(pq)=1N(pq) = 1 y N(q1)=1N(q^{-1}) = 1: un grupo; y S3R4S^3 \subseteq \R^4 es la esfera unidad: una 33-subvariedad compacta.

3. vv es puro si y solo si vˉ=v\bar v = -v; entonces qvqˉ=qvˉqˉ=qvqˉ\overline{qv\bar q} = q\bar v\bar q = -qv\bar q: ρq\rho_q conserva PP. La linealidad es clara; N(qvqˉ)=N(q)N(v)N(q)=N(v)N(qv\bar q) = N(q)N(v)N(q) = N(v): una isometría de (P,N)(R3,2)(P, N) \cong (\R^3, \norm\cdot^2): ρqO(3)\rho_q \in O(3). Y ρpq(v)=pqvpq=p(qvqˉ)pˉ=ρp(ρq(v))\rho_{pq}(v) = pqv\overline{pq} = p(qv\bar q)\bar p = \rho_p(\rho_q(v)): un morfismo.

4. ρq=id\rho_q = \mathrm{id} si y solo si qv=vqqv = vq para todo vv puro, si y solo si qq conmuta con i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k, si y solo si qq es central (pregunta 1): qRS3={±1}q \in \R\cap S^3 = \{\pm1\}.

5. Escríbase q=t+pq = t + p (tRt \in \R, pp puro): 1=N(q)=t2+N(p)1 = N(q) = t^2 + N(p), de modo que t=cosθ2t = \cos\frac\theta2 y p=sinθ2up = \sin\frac\theta2\,u con N(u)=1N(u) = 1 para cierto θ\theta (si p=0p = 0, q=±1q = \pm1 actúa trivialmente). Como u2=N(u)=1u^2 = -N(u) = -1, qq y uu conmutan, y ρq(u)=quqˉ=uqqˉ=u\rho_q(u) = qu\bar q = uq\bar q = u: el eje. Para unidades puras wuw \perp u: la regla del producto vw=v,w+vwvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w (desarróllese en coordenadas con la tabla) da uw=uw=wuuw = u\wedge w = -wu. Entonces

ρq(w)=(cosθ2+sinθ2u)w(cosθ2sinθ2u)=cosθw+sinθ(uw),\rho_q(w) = \bigl(\cos\tfrac\theta2 + \sin\tfrac\theta2u\bigr)\,w\,\bigl(\cos\tfrac\theta2 - \sin\tfrac\theta2u\bigr) = \cos\theta\,w + \sin\theta\,(u\wedge w),

usando uwu=u2w=wuwu = -u^2w = w y las fórmulas del ángulo doble: la rotación de ángulo θ\theta en el plano orientado (w,uw)(w, u\wedge w).

6. Cada ρq\rho_q es una rotación alrededor de uu de ángulo θ\theta: en la base ortonormal (u,w,uw)(u, w, u\wedge w) su matriz tiene determinante +1+1: imρSO(3)\operatorname{im}\rho \subseteq SO(3). Sobreyectividad: una matriz RSO(3)R \in SO(3) tiene 11 como valor propio, pues

det(RI)=detRdet(IRT)=det(IR)=(1)3det(RI),\det(R - I) = \det R\,\det(I - R^{\mathsf T}) = \det(I - R) = (-1)^3\det(R - I),

de modo que det(RI)=0\det(R - I) = 0. Tómese un vector propio unitario uu; RR conserva uu^\perp y se restringe allí a una rotación de cierto ángulo θ\theta (ortogonal plana, determinante 11): R=ρqR = \rho_q para q=cosθ2+sinθ2uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u. Con la pregunta 4 y el primer teorema de isomorfía (el Teorema 1.3): SO(3)S3/{±1}SO(3) \cong S^3/\{\pm1\}.

7. O3O_3 es una subvariedad compacta de dimensión 33 (el Ejercicio 20.5); det\det es continuo en ella con valores en {±1}\{\pm1\}, de modo que SO(3)=O3{det=1}SO(3) = O_3\cap\{\det = 1\} es abierto y cerrado en O3O_3: una unión de componentes conexas, luego a su vez una 33-subvariedad compacta, con el mismo espacio tangente en II: las matrices antisimétricas.

8. Au2v=u(uv)=u,vuvA_u^2v = u\wedge(u\wedge v) = \langle u, v\rangle u - v (uu unitario), de modo que Au3v=u(u,vuv)=uvA_u^3v = u\wedge(\langle u,v\rangle u - v) = -u\wedge v: Au3=AuA_u^3 = -A_u. Partiendo la serie exponencial según los restos de las potencias módulo la relación A3=AA^3 = -A:

eθAu=I+(θθ33!+)Au+(θ22!θ44!+)Au2=I+sinθAu+(1cosθ)Au2.\eu^{\theta A_u} = I + \Bigl(\theta - \frac{\theta^3}{3!} + \cdots\Bigr)A_u + \Bigl(\frac{\theta^2}{2!} - \frac{\theta^4}{4!} + \cdots\Bigr)A_u^2 = I + \sin\theta\,A_u + (1 - \cos\theta)\,A_u^2 .

En uu: Auu=0A_uu = 0: fijo. En wuw \perp u: eθAuw=w+sinθuw+(1cosθ)(w)=cosθw+sinθuw\eu^{\theta A_u}w = w + \sin\theta\,u\wedge w + (1 - \cos\theta)(-w) = \cos\theta\,w + \sin\theta\,u\wedge w: la rotación de eje uu y ángulo θ\theta — Rodrigues. Toda rotación tiene esta forma (pregunta 6): exp\exp es sobreyectiva de las matrices antisimétricas sobre SO(3)SO(3).

9. Con q(t)=cost2+sint2uq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,u: la pregunta 5 muestra que ρq(t)\rho_{q(t)} es la rotación de eje uu y ángulo tt, es decir, ρq(t)=etAu\rho_{q(t)} = \eu^{tA_u}, cuya derivada en t=0t = 0 es AuA_u. El cuaternión corre a la mitad del ángulo — la huella analítica del recubrimiento doble.

10. ρq(t)\rho_{q(t)} es la rotación alrededor de k\mathrm k de ángulo tt: en t=2πt = 2\pi vuelve a la identidad — un lazo en SO(3)SO(3). Su levantamiento cumple q(2π)=cosπ=1=q(0)q(2\pi) = \cos\pi = -1 = -q(0): el camino levantado no es cerrado; solo en t=4πt = 4\pi vuelve qq a 11. Interpretación: el lazo de las rotaciones completas no es contráctil en SO(3)SO(3) — 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 4π4\pi pero no tras 2π2\pi. Los grupos de rotaciones recuerdan la paridad de las vueltas completas; S3S^3, al ser simplemente conexo, es donde reside esa memoria.

11. Cuartos de vuelta: qi=cosπ4+sinπ4iq_{\mathrm i} = \cos\frac\pi4 + \sin\frac\pi4\,\mathrm i, qj=cosπ4+sinπ4jq_{\mathrm j} = \cos\frac\pi4 + \sin\frac\pi4\,\mathrm j. Producto (aplicando primero el cuarto de vuelta j\mathrm j):

qiqj=12(1+i)(1+j)=12(1+i+j+k),q_{\mathrm i}q_{\mathrm j} = \tfrac12(1 + \mathrm i)(1 + \mathrm j) = \tfrac12\bigl(1 + \mathrm i + \mathrm j + \mathrm k\bigr),

de norma 11, con cosθ2=12\cos\frac\theta2 = \frac12: θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, y eje u=i+j+k3u = \frac{\mathrm i + \mathrm j + \mathrm k}{\sqrt3} (la parte pura normalizada). Dos cuartos de vuelta sucesivos alrededor de ejes ortogonales dan una rotación de 120120^\circ 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, ji=k\mathrm{ji} = -\mathrm k y ki=j\mathrm{ki} = \mathrm j, de modo que

qi=aib+c(ji)+d(ki)=b+ai+djck.q\,\mathrm i = a\mathrm i - b + c(\mathrm{ji}) + d(\mathrm{ki}) = -b + a\mathrm i + d\mathrm j - c\mathrm k .

Multiplicando por qˉ=abicjdk\bar q = a - b\mathrm i - c\mathrm j - d\mathrm k con la regla escalar–vector (t1+p1)(t2+p2)=t1t2p1,p2+t1p2+t2p1+p1p2(t_1 + p_1)(t_2 + p_2) = t_1t_2 - \langle p_1, p_2\rangle + t_1p_2 + t_2p_1 + p_1\wedge p_2, donde p1=(a,d,c)p_1 = (a, d, -c) y p2=(b,c,d)p_2 = (-b, -c, -d): la parte escalar es ab(ab)=0-ab - (-ab) = 0 (pura, como debe ser) y la parte vectorial es

b(b,c,d)+a(a,d,c)+(c2d2, bc+ad, bdac)=(a2+b2c2d2, 2(bc+ad), 2(bdac)):b(b, c, d) + a(a, d, -c) + (-c^2 - d^2,\ bc + ad,\ bd - ac) = \bigl(a^2 + b^2 - c^2 - d^2,\ 2(bc + ad),\ 2(bd - ac)\bigr):

la primera columna de RqR_q. La aplicación cíclica σ(i)=j\sigma(\mathrm i) = \mathrm j, σ(j)=k\sigma(\mathrm j) = \mathrm k, σ(k)=i\sigma(\mathrm k) = \mathrm i conserva las relaciones i2=j2=k2=ijk=1\mathrm i^2 = \mathrm j^2 = \mathrm k^2 = \mathrm{ijk} = -1 (la palabra ijk\mathrm{ijk} es cíclicamente invariante salvo la relación ijk=jki\mathrm{ijk} = \mathrm{jki}, válida en todo anillo: conjúguese ijk=1\mathrm{ijk} = -1 por el invertible i\mathrm i), de modo que σ\sigma se extiende a un automorfismo de R\R-álgebras, y σ(ρq(v))=ρσ(q)(σ(v))\sigma(\rho_q(v)) = \rho_{\sigma(q)}(\sigma(v)). Desenrollando, la imagen de j\mathrm j es la fórmula de la primera columna tras la sustitución (b,c,d)(c,d,b)(b, c, d) \to (c, d, b) con la base reetiquetada ijki\mathrm i \to \mathrm j \to \mathrm k \to \mathrm i, que es exactamente la segunda columna exhibida; una vuelta más da la tercera.

13. Sumando la diagonal, trRq=3a2(b2+c2+d2)=4a21\operatorname{tr}R_q = 3a^2 - (b^2 + c^2 + d^2) = 4a^2 - 1 (norma unidad) y, con a=cosθ2a = \cos\frac\theta2: 4cos2θ21=1+2cosθ4\cos^2\frac\theta2 - 1 = 1 + 2\cos\theta. Parte antisimétrica: las tres entradas independientes de RqRqTR_q - R_q^{\mathsf T} son 4ab,4ac,4ad4ab, 4ac, 4ad (en las posiciones (3,2),(1,3),(2,1)(3,2), (1,3), (2,1)), de modo que 12(RqRqT)=Am\frac12(R_q - R_q^{\mathsf T}) = A_m con m=2a(b,c,d)=2cosθ2sinθ2u=sinθum = 2a\,(b, c, d) = 2\cos\frac\theta2\sin\frac\theta2\,u = \sin\theta\,u. Algoritmo: θ=arccostrR12[0,π]\theta = \arccos\frac{\operatorname{tr}R - 1}{2} \in \intcc0\pi; si 0<θ<π0 < \theta < \pi, léase uu en RRT2sinθ\frac{R - R^{\mathsf T}}{2\sin\theta} y póngase q=±(cosθ2+sinθ2u)q = \pm(\cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2 u); si θ=0\theta = 0, q=±1q = \pm1. Para θ=π\theta = \pi: a=0a = 0, y Rodrigues (pregunta 8) da R=I+2Au2=I+2(uuTI)=2uuTIR = I + 2A_u^2 = I + 2(uu^{\mathsf T} - I) = 2uu^{\mathsf T} - I, es decir, R+I=2uuTR + I = 2uu^{\mathsf T}; cualquier columna no nula de R+IR + I, normalizada, es ±u\pm u, y q=±uq = \pm u.

14. Con a=b=c=d=12a = b = c = d = \frac12: todas las entradas diagonales se anulan, 2(bcad)=02(bc - ad) = 0, 2(bd+ac)=12(bd + ac) = 1, 2(bc+ad)=12(bc + ad) = 1, 2(cdab)=02(cd - ab) = 0, 2(bdac)=02(bd - ac) = 0, 2(cd+ab)=12(cd + ab) = 1:

Rq=(001100010),R_q = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix},

la permutación cíclica e1e2e3e1e_1 \to e_2 \to e_3 \to e_1. Su traza es 0=1+2cosθ0 = 1 + 2\cos\theta, de modo que θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, y fija (1,1,1)(1,1,1): la rotación de 120120^\circ 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 Φ(qˉ)=Φ(q)\Phi(\bar q) = \Phi(q)^* (la matriz de qˉ\bar q tiene α=αˉ\alpha' = \bar\alpha, β=β\beta' = -\beta, que es la traspuesta conjugada de (αββˉαˉ)\bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ -\bar\beta & \bar\alpha\end{smallmatrix}\bigr)). Por tanto, Φ(q)Φ(q)=Φ(qˉq)=N(q)I\Phi(q)^*\Phi(q) = \Phi(\bar qq) = N(q)I y detΦ(q)=α2+β2=N(q)\det\Phi(q) = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2 = N(q): para qS3q \in S^3, Φ(q)SU(2)\Phi(q) \in SU(2), y Φ\Phi es un morfismo inyectivo (pregunta 1). Sobreyectividad: sea U=(αβγδ)U = \bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ \gamma & \delta\end{smallmatrix}\bigr) con detU=1\det U = 1; entonces U1=(δβγα)U^{-1} = \bigl(\begin{smallmatrix}\delta & -\beta\\ -\gamma & \alpha\end{smallmatrix}\bigr), y U1=U=(αˉγˉβˉδˉ)U^{-1} = U^* = \bigl(\begin{smallmatrix}\bar\alpha & \bar\gamma\\ \bar\beta & \bar\delta\end{smallmatrix}\bigr) obliga a δ=αˉ\delta = \bar\alpha, γ=βˉ\gamma = -\bar\beta, y entonces 1=detU=α2+β21 = \det U = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2: U=Φ(q)U = \Phi(q) para el cuaternión unitario qq de coordenadas α=a+ib\alpha = a + \iu b, β=c+id\beta = c + \iu d. Así, S3SU(2)S^3 \cong SU(2).

16. Los escalares reales son centrales y N(p)=1N(p) = 1 da pqpˉ=pqˉpˉ\overline{pq\bar p} = p\bar q\bar p, de modo que pqpˉ+pqpˉ=p(q+qˉ)pˉ=q+qˉpq\bar p + \overline{pq\bar p} = p(q + \bar q)\bar p = q + \bar q: la parte real es invariante. Recíprocamente, sea Req=Req=a\operatorname{Re}q = \operatorname{Re}q' = a; entonces las partes puras tienen la misma norma 1a2=s\sqrt{1 - a^2} = s. Si s=0s = 0, q=q=±1q = q' = \pm1. Si s>0s > 0, escríbanse q=a+suq = a + su, q=a+suq' = a + su' con u,uu, u' puros unitarios; la pregunta 6 proporciona una rotación que lleva uu' a uu, es decir, pS3p \in S^3 con ρp(u)=u\rho_p(u') = u, y entonces pqpˉ=a+sρp(u)=qpq'\bar p = a + s\rho_p(u') = q. Las clases de S3S^3 son, por tanto, {1}\{1\}, {1}\{-1\} y, para cada a(1,1)a \in \intoo{-1}1, la 22-esfera {a+su:u puro unitario}\{a + su : u \text{ puro unitario}\} de radio ss. Bajo Φ\Phi, trΦ(q)=α+αˉ=2Req\operatorname{tr}\Phi(q) = \alpha + \bar\alpha = 2\operatorname{Re}q: las clases de SU(2)SU(2) son los conjuntos de nivel de la traza. Proyectando: si q=pqpˉq' = pq\bar p, entonces ρq=ρpρqρp1\rho_{q'} = \rho_p\rho_q\rho_p^{-1}; recíprocamente, ρq=ρpρqρp1=ρpqpˉ\rho_{q'} = \rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p} obliga a q=±pqpˉq' = \pm pq\bar p (núcleo), de modo que Req=±Req\operatorname{Re}q' = \pm\operatorname{Re}q, i.e. cosθ2=Req=Req=cosθ2\cos\frac{\theta'}2 = \abs{\operatorname{Re}q'} = \abs{\operatorname{Re}q} = \cos\frac\theta2 para los ángulos en [0,π]\intcc0\pi: las rotaciones conjugadas tienen ángulos iguales. Recíprocamente, ángulos iguales permiten elegir representantes con la misma parte real no negativa, conjugados por lo anterior: en SO(3)SO(3), la clase de conjugación de una rotación es exactamente su ángulo.

17. NN es multiplicativa, de modo que \abs\cdot es una norma multiplicativa en HR4\mathbb H \cong \R^4 y qk=qk\abs{q^k} = \abs q^k: la serie qk/k!\sum q^k/k! converge absolutamente en el espacio de dimensión finita (luego completo), dominada por qk/k!=eq\sum\abs q^k/k! = \eu^{\abs q}. Para uu puro unitario: u2=1u^2 = -1, de modo que (θu)2m=(1)mθ2m(\theta u)^{2m} = (-1)^m\theta^{2m} y (θu)2m+1=(1)mθ2m+1u(\theta u)^{2m+1} = (-1)^m\theta^{2m+1}u; partiendo la serie,

exp(θu)=m(1)mθ2m(2m)!+um(1)mθ2m+1(2m+1)!=cosθ+sinθu.\exp(\theta u) = \sum_m\frac{(-1)^m\theta^{2m}}{(2m)!} + u\sum_m\frac{(-1)^m\theta^{2m+1}}{(2m+1)!} = \cos\theta + \sin\theta\,u .

Todo qS3q \in S^3 es cosα+sinαu\cos\alpha + \sin\alpha\,u con α[0,π]\alpha \in \intcc0\pi (pregunta 5): q=exp(αu)q = \exp(\alpha u), de modo que exp(P)=S3\exp(P) = S^3. Por último, exp(su)=coss+sinsu=q(2s)\exp(su) = \cos s + \sin s\,u = q(2s) en la notación de la pregunta 9, y allí ρq(t)=etAu\rho_{q(t)} = \eu^{tA_u}: ρexp(su)=e2sAu\rho_{\exp(su)} = \eu^{2sA_u}.

18. Desarrollando vwvw por coordenadas con la tabla: los productos ii=1\mathrm i\cdot\mathrm i = -1, … dan el escalar (v1w1+v2w2+v3w3)-(v_1w_1 + v_2w_2 + v_3w_3), y los productos mixtos (ij=k\mathrm{ij} = \mathrm k, ji=k\mathrm{ji} = -\mathrm k, …) dan el vector (v2w3v3w2, v3w1v1w3, v1w2v2w1)(v_2w_3 - v_3w_2,\ v_3w_1 - v_1w_3,\ v_1w_2 - v_2w_1): vw=v,w+vwvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w. Restando el producto invertido: vwwv=2vwvw - wv = 2\,v\wedge w (las partes escalares se cancelan, los productos vectoriales se suman). Para las matrices, con a(bc)=ba,cca,ba\wedge(b\wedge c) = b\langle a, c\rangle - c\langle a, b\rangle:

[Av,Aw]x=v(wx)w(vx)=wv,xvw,x=(vw)x=Avwx.[A_v, A_w]x = v\wedge(w\wedge x) - w\wedge(v\wedge x) = w\langle v, x\rangle - v\langle w, x\rangle = (v\wedge w)\wedge x = A_{v\wedge w}x .

Derivada: exp(tv)=exp(tv)\overline{\exp(tv)} = \exp(-tv) (la conjugación es continua y cambia de signo los cuaterniones puros), de modo que

 ⁣d ⁣dtt=0exp(tv)xexp(tv)=vxxv=2vx=2Avx:\frac{\dd}{\dd t}\Bigr|_{t=0}\exp(tv)\,x\,\exp(-tv) = vx - xv = 2\,v\wedge x = 2A_vx :

la diferencial es v2Avv \mapsto 2A_v, una biyección lineal de PP sobre las matrices antisimétricas, y [2Av,2Aw]=4Avw=2A2vw=2A[v,w][2A_v, 2A_w] = 4A_{v\wedge w} = 2A_{2v\wedge w} = 2A_{[v,w]} muestra que lleva el conmutador de cuaterniones al conmutador de matrices.

19. Aplicando ρ\rho: ρ(ε(t))=ρ(s(R(t)))ρ(q(t))1=R(t)R(t)1=id\rho(\varepsilon(t)) = \rho(s(R(t)))\,\rho(q(t))^{-1} = R(t)R(t)^{-1} = \operatorname{id}, de modo que ε(t)kerρ={±1}\varepsilon(t) \in \ker\rho = \{\pm1\} (pregunta 4). Como producto de las aplicaciones continuas ts(R(t))t \mapsto s(R(t)) y tq(t)1=q(t)ˉt \mapsto q(t)^{-1} = \bar{q(t)}, ε\varepsilon es continua en el intervalo conexo [0,2π]\intcc0{2\pi} con valores en el par discreto {±1}\{\pm1\}: es constante, digamos ε(t)ε\varepsilon(t) \equiv \varepsilon. Pero R(0)=R(2π)=IR(0) = R(2\pi) = I, de modo que s(R(0))=s(R(2π))s(R(0)) = s(R(2\pi)), mientras que s(R(0))=εq(0)=εs(R(0)) = \varepsilon\,q(0) = \varepsilon y s(R(2π))=εq(2π)=εs(R(2\pi)) = \varepsilon\,q(2\pi) = -\varepsilon: contradicción. No existe ninguna sección continua: la ambigüedad de signo ±q\pm q es global, no un defecto de una fórmula concreta.

20. Sobreyectiva: todo RSO(3)R \in SO(3) es eθAu\eu^{\theta A_u} para cierto uu unitario y cierto θ[0,2π]\theta \in \intcc0{2\pi} (preguntas 6 y 8); si θ>π\theta > \pi, Rodrigues da eθAu=e(2πθ)Au\eu^{\theta A_u} = \eu^{(2\pi - \theta)A_{-u}} (ambos valen I+sinθAu+(1cosθ)Au2I + \sin\theta A_u + (1 - \cos\theta)A_u^2, y Au=AuA_{-u} = -A_u con sin(2πθ)=sinθ\sin(2\pi - \theta) = -\sin\theta, cos(2πθ)=cosθ\cos(2\pi - \theta) = \cos\theta), de modo que R=E(v)R = E(v) con vπ\norm v \leq \pi. Inyectiva dentro: si E(v)=E(v)IE(v) = E(v') \neq I con v,v<π\norm v, \norm{v'} < \pi, la pregunta 13 recupera el mismo ángulo θ=v=v(0,π)\theta = \norm v = \norm{v'} \in \intoo0\pi de la traza y, como sinθ0\sin\theta \neq 0, el mismo eje de la parte antisimétrica: v=vv = v'; y E(v)=IE(v) = I fuerza θ{0}\theta \in \{0\} en la bola abierta. Frontera: E(πu)=I+2Au2=2uuTIE(\pi u) = I + 2A_u^2 = 2uu^{\mathsf T} - I depende de uu solo a través de uuTuu^{\mathsf T}, de donde E(πu)=E(πu)E(\pi u) = E(-\pi u); recíprocamente, 2uuTI=2uuTI2uu^{\mathsf T} - I = 2u'u'^{\mathsf T} - I aplicado a uu da u=u,uuu = \langle u', u\rangle u', de modo que u=±uu' = \pm u. El interior y la frontera nunca chocan (traza >1> -1 frente a =1= -1). Así, EE induce una biyección continua de la bola con pegado antipodal — compacta — sobre SO(3)SO(3): un homeomorfismo, y SO(3)RP3SO(3) \cong \mathbb{RP}^3. Un diámetro de πu\pi u a πu-\pi u tiene los extremos pegados: es un lazo en SO(3)SO(3), y su descripción en EE coincide con la familia de rotaciones alrededor de uu de la pregunta 10, barriendo una vuelta completa.

21. ρ\rho es un morfismo y ρp1=ρp1=ρpˉ\rho_p^{-1} = \rho_{p^{-1}} = \rho_{\bar p}, de modo que ρpρqρp1=ρpqpˉ\rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p}; por la pregunta 16, conjugar una rotación conserva su ángulo y gira su eje mediante ρp\rho_p. Involuciones: ρq2=ρq2=id\rho_q^2 = \rho_{q^2} = \operatorname{id} si y solo si q2=±1q^2 = \pm1. Si q2=1q^2 = 1, entonces (q1)(q+1)=q21=0(q - 1)(q + 1) = q^2 - 1 = 0 (escalares centrales, de modo que esta factorización es válida) y q=±1q = \pm1 en el anillo de división H\mathbb H, lo que da ρq=I\rho_q = I, excluido; q2=1q^2 = -1 con q=a+suq = a + su da a2s2+2asu=1a^2 - s^2 + 2as\,u = -1, de modo que a=0a = 0, s=1s = 1: qq es un ww puro unitario, y ρw\rho_w es la media vuelta alrededor de ww (ángulo π\pi, pregunta 5). Centro: si ρq\rho_q conmuta con todo ρp\rho_p, entonces ρpqpˉ=ρq\rho_{pq\bar p} = \rho_q, de modo que pqpˉ=ε(p)qpq\bar p = \varepsilon(p)\,q con ε(p){±1}\varepsilon(p) \in \{\pm1\}; pε(p)=(pqpˉ)q1p \mapsto \varepsilon(p) = (pq\bar p)q^{-1} es continua en el conexo S3S^3 y vale 11 en p=1p = 1, luego 1\equiv 1: qq conmuta con todo S3S^3, luego con todo H\mathbb H (reescalando), de modo que qRS3={±1}q \in \R \cap S^3 = \{\pm1\} (pregunta 1) y ρq=I\rho_q = I: el centro es trivial.

22. Como uwu \perp w son puros unitarios, uw=uwuw = u\wedge w es puro (pregunta 18), de modo que

w=qw=cosθ2w+sinθ2uww' = qw = \cos\tfrac\theta2\,w + \sin\tfrac\theta2\,u\wedge w

es puro, de norma qw=1\abs q\abs w = 1. Entonces ww=qww=qw2=qw'w = qw\cdot w = qw^2 = -q, y

ρwρw=ρww=ρq=ρq.\rho_{w'}\rho_w = \rho_{w'w} = \rho_{-q} = \rho_q .

Ambos ejes ww y w=cosθ2w+sinθ2(uw)w' = \cos\frac\theta2 w + \sin\frac\theta2(u\wedge w) están en el plano uu^\perp ortogonal al eje de rotación, y w,w=cosθ2\langle w', w\rangle = \cos\frac\theta2: forman el semiángulo θ2\frac\theta2. Esta es la generación clásica: dos medias vueltas alrededor de ejes que forman un ángulo θ2\frac\theta2 componen la rotación de ángulo θ\theta alrededor de su perpendicular común.

23. La compacidad es la pregunta 7. Conexión por caminos: SO(3)=ρ(S3)SO(3) = \rho(S^3) es la imagen continua de la esfera conexa por caminos; alternativamente, para R=eAR = \eu^{A} con AA antisimétrica (pregunta 8), tetAt \mapsto \eu^{tA} es un camino en SO(3)SO(3) de II a RR (ortogonal porque (etA)T=etA(\eu^{tA})^{\mathsf T} = \eu^{-tA}, determinante 11 por continuidad desde t=0t = 0). Para O(3)O(3): det\det es continuo y sobreyectivo sobre {±1}\{\pm1\}, de modo que O(3)O(3) es disconexo, O(3)=SO(3)DSO(3)O(3) = SO(3) \sqcup D\,SO(3) para cualquier DD fijo con detD=1\det D = -1 (por ejemplo, D=ID = -I), y la multiplicación por la izquierda por DD es un homeomorfismo: exactamente dos componentes, cada una copia de SO(3)SO(3). El ρ\rho dos a uno, sin sección por la pregunta 19, es así un recubrimiento doble honesto de un grupo compacto conexo por el simplemente conexo S3S^3 — la geometría que hay detrás del truco del cinturón.

24. (i) Matrices:

R1=(010100001),R2=(100001010),R2R1=(010001100).R_1 = \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad R_2 = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & -1\\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}, \quad R_2R_1 = \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0\\ 0 & 0 & -1\\ 1 & 0 & 0\end{pmatrix}.

La traza 0=1+2cosθ0 = 1 + 2\cos\theta da cosθ=12\cos\theta = -\frac12: θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3. La parte antisimétrica RRT2\frac{R - R^{\mathsf T}}2 tiene entradas que codifican el eje en la forma sinθ(v3,v2,v1)\sin\theta\,(v_3, -v_2, v_1): aquí RRT2=12(011101110)\frac{R - R^{\mathsf T}}2 = \frac12\bigl(\begin{smallmatrix}0 & -1 & -1\\ 1 & 0 & -1\\ 1 & 1 & 0\end{smallmatrix}\bigr), que se lee (diccionario AvA_v de la Parte V) vsinθ=12(1,1,1)v\sin\theta = \frac12(1, -1, 1); con sin2π3=32\sin\frac{2\pi}3 = \frac{\sqrt3}2: v=13(1,1,1)v = \frac1{\sqrt3}(1, -1, 1). (ii) Cuaterniones: q1=cosπ4+sinπ4k=22(1+k)q_1 = \cos\frac\pi4 + \sin\frac\pi4\,k = \frac{\sqrt2}2(1 + k), q2=22(1+i)q_2 = \frac{\sqrt2}2(1 + i), y

q2q1=12(1+i)(1+k)=12(1+k+i+ik)=12(1+ij+k)q_2q_1 = \tfrac12(1 + i)(1 + k) = \tfrac12(1 + k + i + ik) = \tfrac12\bigl(1 + i - j + k\bigr)

(ik=jik = -j). Así, cosθ2=12\cos\frac\theta2 = \frac12: θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, y la parte vectorial 12(ij+k)\frac12(i - j + k) tiene dirección 13(1,1,1)\frac1{\sqrt3}(1, -1, 1) — 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 S3S^3.

25. I+KI + K invertible: (I+K)v=0(I + K)v = 0 da 0=v,v+v,Kv=v20 = \langle v, v\rangle + \langle v, Kv\rangle = \norm v^2 (la antisimetría mata el segundo término): v=0v = 0. Ortogonalidad de C=C(K)C = C(K): usando (I±K)T=IK(I \pm K)^{\mathsf T} = I \mp K y que las cuatro matrices I±KI \pm K, (I±K)1(I \pm K)^{-1} conmutan (expresiones polinómicas en KK, más límites):

CTC=(I+K)T(IK)T(IK)(I+K)1=(IK)1(I+K)(IK)(I+K)1=I.C^{\mathsf T}C = (I + K)^{-\mathsf T}(I - K)^{\mathsf T} (I - K)(I + K)^{-1} = (I - K)^{-1}(I + K)(I - K)(I + K)^{-1} = I .

Determinante: det(IK)=det((IK)T)=det(I+K)\det(I - K) = \det\bigl((I - K)^{\mathsf T}\bigr) = \det(I + K), de modo que detC=1\det C = 1: CSO(n)C \in SO(n). Ningún valor propio 1-1: Cv=vCv = -v significa (IK)w=(I+K)w(I - K)w = -(I + K)w para w=(I+K)1vw = (I + K)^{-1}v, es decir, 2w=02w = 0: v=0v = 0. Inversión: de C(I+K)=IKC(I + K) = I - K, resuélvase K(I+C)=ICK(I + C) = I - C; como 1SpC-1 \notin \operatorname{Sp}C, I+CI + C es invertible y K=(IC)(I+C)1K = (I - C)(I + C)^{-1}, que es antisimétrica siempre que CC sea ortogonal sin el valor propio 1-1 (transpóngase la expresión y úsese CT=C1C^{\mathsf T} = C^{-1}: KT=(IC1)(I+C1)1=(CI)(C+I)1=KK^{\mathsf T} = (I - C^{-1})(I + C^{-1})^{-1} = (C - I)(C + I)^{-1} = -K). Las dos aplicaciones son mutuamente inversas por construcción: una parametrización racional global del trozo abierto denso de SO(n)SO(n) que evita el valor propio 1-1 — sin series, sin trigonometría, y en dimensión 33 es la sustitución del semiángulo K=tanθ2AvK = \tan\frac\theta2\,A_v disfrazada.

Términos definidos en este capítulo

Ver los 395 términos del glosario