Matemáticas · किताब 5 · Grado — Año 3

विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 3

विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 3 · Grado — Año 3

20ℝn के उपबहुविध

गोलक, टोरस, घूर्णन समूह: ज्यामिति और यांत्रिकी के स्वाभाविक निवास सदिश समष्टियाँ नहीं, बल्कि ऐसे वक्रित समुच्चय हैं जो पास से समतल दिखते हैं। यह अध्याय उस वाक्यांश को ठीक-ठीक अर्थ देता है — Rn\R^n के उपबहुविध — और उन पर काम करने का कलन भी। नींव है प्रतिलोम फलन प्रमेय, जिसे यहाँ बानाख स्थिर बिंदु से सिद्ध किया गया है; और शेष सब कुछ निर्देशांकों का परिवर्तन ही है: उपबहुविध के चार तुल्य वर्णन (स्थानीय सीधाकरण, स्तर समुच्चय, आलेख, प्राचलन), स्पर्श समष्टियाँ, और लाग्राँज गुणकों से प्रतिबंधित इष्टतमीकरण — जो, विदाई प्रदर्शन के रूप में, सममित आव्यूहों के लिए स्पेक्ट्रमी प्रमेय को ज्यामिति की तीन पंक्तियों में पुनः सिद्ध कर देता है। सप्ताहांत समस्या घूर्णन समूह SO(3)SO(3) और उसका क्वाटर्नियनी द्विक आवरण बनाती है: बीजगणित (अध्याय 1 का Q8Q_8, बड़ा होकर) ज्यामिति से मिलता हुआ।

20.1 प्रतिलोम फलन प्रमेय

प्रमेय 20.1 (प्रतिलोम फलन प्रमेय)

मान लीजिए URnU \subseteq \R^n विवृत है, f ⁣:URnf \colon U \to \R^n वर्ग C1\mathcal C^1 का है, और aUa \in U ऐसा कि Df(a)Df(a) व्युत्क्रमणीय हो। तब ऐसे विवृत समुच्चय VaV \ni a, Wf(a)W \ni f(a) हैं कि f ⁣:VWf \colon V \to W C1\mathcal C^1 प्रतिलोम वाला एकैकी आच्छादक प्रतिचित्रण है, और

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

यदि ff Ck\mathcal C^k हो, तो f1f^{-1} भी।

उपपत्ति. मानकीकरण: ff के स्थान पर xDf(a)1(f(a+x)f(a))x \mapsto Df(a)^{-1}\bigl(f(a + x) - f(a)\bigr) रखने पर हम a=0a = 0, f(0)=0f(0) = 0, Df(0)=IDf(0) = I मान सकते हैं (व्यापक कथन आफ़ीन एकैकी आच्छादक प्रतिचित्रणों के साथ संयोजन से निकलता है)। f(x)=x+g(x)f(x) = x + g(x) लिखिए: Dg(0)=0Dg(0) = 0, और DgDg के सांतत्य से r>0r > 0 ऐसा चुनिए कि Bˉ(0,r)\bar B(0, r) पर Dg(x)12\vertiii{Dg(x)} \leq \frac12 हो; तब माध्य मान असमिका वहाँ g(x)g(x)12xx\norm{g(x) - g(x')} \leq \frac12 \norm{x - x'} दे देती है।

किसी प्रतिवेश पर एकैकी आच्छादकता। yB(0,r2)y \in B(0, \frac r2) के लिए f(x)=yf(x) = y हल करने का अर्थ है Φy(x)=yg(x)\Phi_y(x) = y - g(x) का कोई स्थिर बिंदु ढूँढ़ना; Φy\Phi_y Bˉ(0,r)\bar B(0, r) को उसी में भेजता है (Φy(x)y+12xr\norm{\Phi_y(x)} \leq \norm y + \frac12\norm x \leq r) और 12\frac12-लिप्शिट्ज़ है: अतः बानाख (प्रमेय 7.4) एक अद्वितीय हल x=φ(y)Bˉ(0,r)x = \varphi(y) \in \bar B(0,r) दे देता है। इसके अतिरिक्त ff Bˉ(0,r)\bar B(0,r) पर एकैकी है:

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{$*$}

W=B(0,r2)W = B(0, \frac r2) और V=f1(W)B(0,r)V = f^{-1}(W)\cap B(0, r) रखिए: ये विवृत हैं (सांतत्य), और f ⁣:VWf \colon V \to W एकैकी आच्छादक।

प्रतिलोम का सांतत्य और अवकलनीयता। ()(*) कहता है कि φ=f1\varphi = f^{-1} 22-लिप्शिट्ज़ है। y0=f(x0)Wy_0 = f(x_0) \in W स्थिर कीजिए; A=Df(x0)A = Df(x_0) की व्युत्क्रमणीयता (II से उसकी दूरी 12\leq \frac12 है: न्यूमन, प्रतिज्ञप्ति 8.4) और ff की अवकलनीयता y0y_0 के निकट y=f(x)y = f(x) के लिए

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}),

दे देती हैं, जहाँ xx02yy0\norm{x - x_0} \leq 2\norm{y - y_0} को बदलने के लिए ()(*) का उपयोग हुआ: अतः φ\varphi y0y_0 पर प्रतिलोम अवकलज के साथ अवकलनीय है। yDφ(y)=Df(φ(y))1y \mapsto D\varphi(y) = Df(\varphi(y))^{-1} का सांतत्य: संतत प्रतिचित्रणों का संयोजन (प्रतिलोमन संतत है, प्रतिज्ञप्ति 8.4): अतः φC1\varphi \in \mathcal C^1; और उसी सूत्र को बार-बार लगाने पर Ck\mathcal C^k

प्रमेय 20.2 (अंतर्निहित फलन प्रमेय)

मान लीजिए F ⁣:URp×RqRqF \colon U \subseteq \R^p\times\R^q \to \R^q (a,b)(a, b) के निकट C1\mathcal C^1 है, F(a,b)=0F(a,b) = 0, और मान लीजिए आंशिक अवकलज DyF(a,b)L(Rq)D_yF(a,b) \in \mathcal L(\R^q) व्युत्क्रमणीय है। तब ऐसे प्रतिवेश AaA \ni a, BbB \ni b और ऐसा C1\mathcal C^1 प्रतिचित्रण ψ ⁣:AB\psi \colon A \to B हैं कि

{(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\},

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

उपपत्ति. Θ(x,y)=(x,F(x,y))\Theta(x, y) = (x, F(x,y)) पर प्रमेय 20.1 लगाइए: (a,b)(a,b) पर उसका अवकलज, जो व्युत्क्रमणीय विकर्ण खंडों II और DyFD_yF के साथ खंड-त्रिभुजाकार है, व्युत्क्रमणीय है। स्थानीय प्रतिलोम का रूप Θ1(x,z)=(x,h(x,z))\Theta^{-1}(x, z) = (x, h(x, z)) होता है; ψ(x)=h(x,0)\psi(x) = h(x, 0) रखिए: तब स्थानीय रूप से F(x,y)=0F(x, y) = 0 तभी और केवल तभी जब Θ(x,y)=(x,0)\Theta(x,y) = (x, 0), अर्थात् तभी और केवल तभी जब y=ψ(x)y = \psi(x)। सूत्र: शृंखला नियम से F(x,ψ(x))=0F(x, \psi(x)) = 0 का अवकलन कीजिए।

20.2 उपबहुविध: चार परिभाषाएँ

प्रमेय 20.3 (तुल्य अभिलक्षण)

मान लीजिए MRnM \subseteq \R^n, d{0,,n}d \in \{0, \dots, n\}, और k1k \geq 1। प्रत्येक बिंदु aMa \in M के लिए निम्नलिखित समतुल्य हैं (और MM वर्ग Ck\mathcal C^k का dd-विमीय उपबहुविध कहलाता है यदि वे प्रत्येक aMa \in M पर लागू हों):

  1. (सीधाकरण) किसी विवृत Ωa\Omega \ni a से किसी विवृत ΩRn\Omega' \subseteq \R^n पर कोई Ck\mathcal C^k अवकल समरूपता Φ\Phi ऐसी है कि

    Φ(MΩ)=Ω(Rd×{0}).\Phi(M\cap\Omega) = \Omega' \cap \bigl(\R^d\times\{0\}\bigr).
  2. (स्तर समुच्चय) किसी विवृत Ωa\Omega \ni a पर MΩ=F1(0)M\cap\Omega = F^{-1}(0) वाला कोई Ck\mathcal C^k अवगाहन F ⁣:ΩRndF \colon \Omega \to \R^{n-d} (अर्थात् DF(x)DF(x) आच्छादक) है।
  3. (आलेख) निर्देशांकों के क्रमचय तक, MM स्थानीय रूप से किसी Ck\mathcal C^k प्रतिचित्रण ψ ⁣:ARdRnd\psi \colon A \subseteq \R^d \to \R^{n-d} का आलेख है।
  4. (प्राचलन) कोई Ck\mathcal C^k निमज्जन φ ⁣:ARdRn\varphi \colon A \subseteq \R^d \to \R^n (Dφ(u)D\varphi(u) एकैकी) ऐसा है कि AA विवृत हो और किसी विवृत Ωa\Omega \ni a के लिए φ\varphi AA से MΩM \cap \Omega पर समस्थितिकता हो।

उपपत्ति. (1)\Rightarrow(2): F=(Φd+1,,Φn)F = (\Phi_{d+1}, \dots, \Phi_n) (Φ\Phi के अंतिम निर्देशांक): यह अवगाहन है (DΦD\Phi व्युत्क्रमणीय)। (2)\Rightarrow(3): DF(a)DF(a) आच्छादक: अतः याकोबीय का कोई q×qq \times q उपसारणिक व्युत्क्रमणीय है (q=ndq = n - d); निर्देशांकों के क्रमचय के बाद DyF(a)D_yF(a) व्युत्क्रमणीय है, और अंतर्निहित फलन प्रमेय (प्रमेय 20.2) MM को स्थानीय रूप से आलेख y=ψ(x)y = \psi(x) के रूप में व्यक्त कर देती है। (3)\Rightarrow(4): φ(x)=(x,ψ(x))\varphi(x) = (x, \psi(x)): यह एक निमज्जन है (अवकलज (IDψ)\bigl(\begin{smallmatrix}I\\ D\psi\end{smallmatrix}\bigr) एकैकी), और आलेख पर समस्थितिकता (प्रतिलोम: प्रक्षेप, जो संतत है)। (4)\Rightarrow(1): मान लीजिए φ(u0)=a\varphi(u_0) = a; imDφ(u0)\operatorname{im}D\varphi(u_0) को किसी पूरक EE (dimE=nd\dim E = n - d) से पूरा कीजिए और A×EA\times E पर Θ(u,v)=φ(u)+v\Theta(u, v) = \varphi(u) + v परिभाषित कीजिए: DΘ(u0,0)D\Theta(u_0, 0) एकैकी आच्छादक है (प्रतिबिंब में imDφ(u0)\operatorname{im}D\varphi(u_0) और EE हैं), अतः Θ\Theta एक स्थानीय अवकल समरूपता है (प्रमेय 20.1); और उसका प्रतिलोम Φ\Phi सीधा कर देता है: aa के निकट MM के बिंदु ठीक φ(u)=Θ(u,0)\varphi(u) = \Theta(u, 0) हैं — और इसके लिए (4) की समस्थितिकता परिकल्पना यह सुनिश्चित करती है कि छोटे Ω\Omega के लिए MΩM\cap\Omega में कोई अन्य पर्त न हो (छोटे v0v \neq 0 वाले aa के निकट के φ(u)+v=mM\varphi(u') + v = m \in M को अपवर्जित करना होगा: समस्थितिकता गुण से u0u_0 के निकट किसी uu'' के लिए m=φ(u)m = \varphi(u''), और Θ\Theta की स्थानीय एकैकीयता v=0v = 0 अनिवार्य कर देती है)। तब सिकोड़ने तक Φ(MΩ)=(A×{0})Φ(Ω)\Phi(M\cap\Omega) = (A\times\{0\}) \cap\Phi(\Omega)

उदाहरण 20.4

गोलक Sn1={x2=1}S^{n-1} = \{\norm x^2 = 1\}: Rn{0}\R^n\setminus\{0\} (DF(x)=2xT0DF(x) = 2x^{\mathsf T} \ne 0) पर अवगाहन F(x)=x221F(x) = \norm x_2^2 - 1 का स्तर समुच्चय: अतः विमा n1n - 1 का C\mathcal C^\infty उपबहुविध। R3\R^3 में टोरस: (x2+y2R)2+z2r2\bigl(\sqrt{x^2 + y^2} - R\bigr)^2 + z^2 - r^2 का स्तर समुच्चय (0<r<R0 < r < R)। शंकु {x2+y2=z2}\{x^2 + y^2 = z^2\} 00 पर उपबहुविध नहीं है (अभ्यास 20.1)। आव्यूह समूह: SLnSL_n और OnO_n Mn(R)M_n(\R) के उपबहुविध हैं (अभ्यास 20.5 और 20.6) — यही ली सिद्धांत का प्रस्थान बिंदु है।

20.3 स्पर्श समष्टियाँ

परिभाषा 20.5

मान लीजिए MM कोई dd-उपबहुविध है और aMa \in Mस्पर्श समष्टि TaMT_aM γ(0)=a\gamma(0) = a वाले C1\mathcal C^1 वक्रों γ ⁣:(ε,ε)M\gamma \colon \intoo{-\varepsilon}\varepsilon \to M के वेग सदिशों γ(0)\gamma'(0) का समुच्चय है।

प्रतिज्ञप्ति 20.6

TaMT_aM Rn\R^n की एक dd-विमीय सदिश उपसमष्टि है, और:

  1. यदि अवगाहन FF के साथ स्थानीय रूप से M=F1(0)M = F^{-1}(0) हो: TaM=kerDF(a)T_aM = \ker DF(a);
  2. यदि MM निमज्जन φ\varphi (φ(u0)=a\varphi(u_0) = a) से प्राचलित हो: TaM=imDφ(u0)T_aM = \operatorname{im}D\varphi(u_0)

उपपत्ति. MM के वक्र F(γ(t))=0F(\gamma(t)) = 0 संतुष्ट करते हैं; 00 पर शृंखला नियम DF(a)γ(0)=0DF(a)\gamma'(0) = 0 देता है: अतः TaMkerDF(a)T_aM \subseteq \ker DF(a)। विलोमतः, सीधाकरण (प्रमेय 20.3(1)) Rd×{0}\R^d\times\{0\} की रेखाओं को MM के वक्रों पर ले जाता है: अर्थात् किसी dd-विमीय उपसमष्टि का प्रत्येक सदिश साकार हो जाता है; और विमाओं की तुलना (dimkerDF(a)=n(nd)=d\dim\ker DF(a) = n - (n - d) = d) (1) में समता अनिवार्य कर देती है, तथा वही परिवहन तर्क (2) दे देता है (AA की सरल रेखाओं पर Dφ(u0)D\varphi(u_0) लगाइए; फिर विमाएँ)।

प्रमेय 20.7 (लाग्राँज गुणक)

मान लीजिए M=F1(0)M = F^{-1}(0), जहाँ F=(F1,,Fq) ⁣:ΩRqF = (F_1, \dots, F_q) \colon \Omega \to \R^q कोई C1\mathcal C^1 अवगाहन है, और मान लीजिए f ⁣:ΩRf \colon \Omega \to \R C1\mathcal C^1 है। यदि प्रतिबंध fMf\restriction_M का aMa \in M पर कोई स्थानीय चरम-मान हो, तो ऐसे अद्वितीय वास्तविक λ1,,λq\lambda_1, \dots, \lambda_q (लाग्राँज गुणक) हैं कि

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

उपपत्ति. aa से होकर जाने वाले MM के प्रत्येक वक्र γ\gamma के लिए: tf(γ(t))t \mapsto f(\gamma(t)) का 00 पर स्थानीय चरम-मान होता है, अतः 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: इसलिए f(a)TaM=kerDF(a)\nabla f(a) \perp T_aM = \ker DF(a) (प्रतिज्ञप्ति 20.6)। अब kerDF(a)=imDF(a)T\ker DF(a)^\perp = \operatorname{im}DF(a)^{\mathsf T} (दूसरे वर्ष की कोटि/लांबिकता सर्वसमिका, अथवा परिमित विमा में अभ्यास 13.8: (kerT)=imT(\ker T)^\perp = \operatorname{im}T^*), जो प्रवणकों Fi(a)\nabla F_i(a) से फैला है — और वे स्वतंत्र हैं, क्योंकि DF(a)DF(a) आच्छादक है: अतः गुणक विद्यमान और अद्वितीय हैं।

उदाहरण 20.8 (स्पेक्ट्रमी प्रमेय, ज्यामितीय रूप से)

मान लीजिए AA कोई वास्तविक सममित n×nn\times n आव्यूह है, और गोलक Sn1S^{n-1} पर f(x)=Ax,xf(x) = \langle Ax, x\rangle को अधिकतम कीजिए (जो संहत है: अतः अधिकतम किसी v1v_1 पर प्राप्त होता है)। F(x)=x21F(x) = \norm x^2 - 1 के साथ लाग्राँज: f=2Ax\nabla f = 2Ax और F=2x\nabla F = 2x से Av1=λ1v1Av_1 = \lambda_1v_1 मिलता है — अर्थात् एक अभिलक्षणिक सदिश, जिसमें λ1=maxSn1Ax,x\lambda_1 = \max_{S^{n-1}}\langle Ax, x\rangle। अब AA को v1v_1^\perp पर प्रतिबंधित कीजिए (जो अपरिवर्ती है: 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) और दोहराइए: इससे अभिलक्षणिक सदिशों का प्रसामान्य लांबिक आधार मिल जाता है। दूसरे वर्ष की स्पेक्ट्रमी प्रमेय, विशुद्ध इष्टतमीकरण से पुनः सिद्ध — और इसी तर्क की अनंत-विमीय छाया ने प्रमेयिका 15.6 सिद्ध किया था।

विधि 20.9

किसी समुच्चय को उपबहुविध सिद्ध करने के लिए: उसे स्थानीय रूप से F1(0)F^{-1}(0) के रूप में प्रस्तुत कीजिए जहाँ DFDF उस समुच्चय पर आच्छादक हो (सबसे सामान्य मार्ग), अथवा किसी आलेख के रूप में। उसकी विमा और स्पर्श समष्टि परिकलित करने के लिए: d=nqd = n - q और Ta=kerDF(a)T_a = \ker DF(a)। उस पर इष्टतमीकरण के लिए: लाग्राँज — पर पहले सदा संहतता (या प्रबलकारिता) जाँचिए, ताकि कोई चरम-मान विद्यमान हो जिस पर प्रमेय लगाई जा सके; और स्मरण रखिए कि गुणक समीकरण केवल आवश्यक है: अतः सभी क्रांतिक बिंदु इकट्ठे कीजिए, फिर मानों की तुलना कीजिए। आव्यूह समूहों के लिए तत्समक पर वक्रों का अवकलन करके स्पर्श समष्टियाँ पहचानिए।

20.4 अभ्यास

अभ्यास 20.1

(क) सत्यापित कीजिए कि निम्नलिखित C\mathcal C^\infty उपबहुविध हैं और उनकी विमाएँ दीजिए: Sn1S^{n-1}; अतिपरवलयज {x2+y2z2=1}\{x^2 + y^2 - z^2 = 1\}; और उदाहरण 20.4 का टोरस। (ख) दर्शाइए कि शंकु C={x2+y2=z2}R3C = \{x^2 + y^2 = z^2\} \subseteq \R^3 00 पर 22-उपबहुविध नहीं है: (C{0})B(0,ε)\bigl(C\setminus\{0\}\bigr)\cap B(0,\varepsilon) के संबद्ध घटकों की संख्या निर्धारित कीजिए, और उसकी तुलना उस संख्या से कीजिए जो किसी सीधाकरण (प्रमेय 20.3(1)) से समतल में से एक बिंदु हटाने पर अनिवार्य होती।

हल

हल — अभ्यास 20.1.

(क) प्रत्येक किसी निमज्जन के लिए F1(0)F^{-1}(0) है: Rn{0}\R^n\setminus\{0\} पर x21\norm x^2 - 1 (प्रवणक 2x02x \neq 0): विमा n1n-1; x2+y2z21x^2 + y^2 - z^2 - 1 (अतिपरवलयज पर प्रवणक (2x,2y,2z)0(2x, 2y, -2z) \neq 0, जहाँ x2+y2=1+z2>0x^2 + y^2 = 1 + z^2 > 0): विमा 22; और टोरस फलन G=(ρR)2+z2r2G = (\rho - R)^2 + z^2 - r^2, ρ=x2+y2\rho = \sqrt{x^2+y^2}, टोरस के निकट C\mathcal C^\infty है (वहाँ ρRr>0\rho \geq R - r > 0) जिसमें G0\nabla G \neq 0 (उसका zz-घटक 2z2z है, और जहाँ z=0z = 0 वहाँ त्रिज्य घटक 2(ρR)02(\rho - R)\ne0 है, क्योंकि ρR=r\abs{\rho - R} = r): विमा 22

(ख) छोटे ε\varepsilon के लिए (C{0})B(0,ε)(C\setminus\{0\})\cap B(0,\varepsilon) के ठीक 22 संबद्ध घटक हैं (ऊपरी और निचली छिद्रित पालियाँ, प्रत्येक पथ-संबद्ध: वृत्तों और किरणों से जोड़िए)। यदि CC 00 पर कोई 22-उपबहुविध होता, तो कोई सीधाकरण CΩC\cap\Omega से किसी समतल के विवृत टुकड़े पर ऐसी समस्थितिकता देता जो 00 को किसी बिंदु pp पर भेजती; पर pp के छोटे छिद्रित समतल-प्रतिवेशों का एक घटक होता है, और समस्थितिकताएँ छिद्रित प्रतिवेशों के घटकों की संख्या सुरक्षित रखती हैं: विरोधाभास।

अभ्यास 20.2

स्पर्श समष्टियाँ परिकलित कीजिए: (क) किसी भी aa के लिए TaSn1T_aS^{n-1} (उत्तर: aa^\perp); (ख) उदाहरण 20.4 के टोरस पर बाहरी विषुवत रेखा {z=0, x2+y2=(R+r)2}\{z = 0,\ x^2 + y^2 = (R + r)^2\} के किसी मनमाने बिंदु पर स्पर्श समतल; (ग) φ(t0)\varphi(t_0) पर कुंडलिनी φ(t)=(cost,sint,t)\varphi(t) = (\cos t, \sin t, t) की स्पर्श रेखा, और प्रतिज्ञप्ति 20.6(2) जाँचते हुए।

हल

हल — अभ्यास 20.2.

(क) TaSn1=ker(2aT)=aT_aS^{n-1} = \ker\bigl(2a^{\mathsf T}\bigr) = a^\perp। (ख) p=((R+r)cosθ,(R+r)sinθ,0)p = ((R+r)\cos\theta, (R+r)\sin\theta, 0) पर: G=(2rcosθ,2rsinθ,0)\nabla G = (2r\cos\theta, 2r\sin\theta, 0), अतः स्पर्श समतल Vect((sinθ,cosθ,0), (0,0,1))\operatorname{Vect}\bigl((-\sin\theta, \cos\theta, 0),\ (0, 0, 1)\bigr) है: अर्थात् बाहरी विषुवत रेखा पर स्पर्शी ऊर्ध्वाधर समतल। (ग) कुंडली φ(t0)=(sint0,cost0,1)0\varphi'(t_0) = (-\sin t_0, \cos t_0, 1) \neq 0 वाला कोई अंतःस्थापित वक्र है: अतः φ(t0)\varphi(t_0) पर स्पर्श रेखा φ(t0)+Rφ(t0)\varphi(t_0) + \R\,\varphi'(t_0) है, जैसा प्रतिज्ञप्ति 20.6(2) निर्धारित करती है।

अभ्यास 20.3 ★★

मान लीजिए f(x,y)=(x2y2, 2xy)f(x, y) = (x^2 - y^2,\ 2xy) (अर्थात् zz2z \mapsto z^2)। (क) किन बिंदुओं पर प्रमेय 20.1 लागू होती है? (ख) दर्शाइए कि ff R2{0}\R^2\setminus\{0\} पर स्थानीय रूप से व्युत्क्रमणीय है पर वैश्विक रूप से नहीं, और (1,0)(1, 0) के किसी प्रतिवेश पर परिभाषित दोनों स्थानीय प्रतिलोम (दोनों वर्गमूल शाखाएँ) स्पष्ट रूप से प्रस्तुत कीजिए। (ग) ध्रुवीय निर्देशांक प्रतिचित्रण (r,θ)(rcosθ,rsinθ)(r, \theta) \mapsto (r\cos\theta, r\sin\theta) के लिए वही विवेचन।

हल

हल — अभ्यास 20.3.

(क) 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): अतः प्रमेय मूल बिंदु को छोड़कर प्रत्येक बिंदु पर लागू होती है। (ख) f(z)=f(z)f(-z) = f(z): 00 के परितः सममित किसी भी समुच्चय पर कभी एकैकी नहीं; R2{0}\R^2\setminus\{0\} पर वह सर्वत्र स्थानीय अवकल समरूपता है फिर भी वैश्विक रूप से 22-से-11(1,0)=f(±(1,0))(1, 0) = f(\pm(1, 0)) के निकट दोनों प्रतिलोम दोनों वर्गमूल शाखाएँ हैं: सम्मिश्र संकेतन में w±ww \mapsto \pm\sqrt w (मुख्य शाखा), अर्थात्

(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).

(ग) याकोबीय r>0r > 0: अतः (0,)×R\intoo0\infty\times\R पर स्थानीय अवकल समरूपता, पर θθ+2π\theta \mapsto \theta + 2\pi वही बिंदु देता है: अर्थात् स्थानीय रूप से व्युत्क्रमणीय (किसी अर्ध-समतल पर कोण 2π2\pi तक निर्धारित), और वैश्विक रूप से कभी नहीं।

अभ्यास 20.4 ★★

(फोलियम) मान लीजिए F(x,y)=x3+y33xyF(x,y) = x^3 + y^3 - 3xy और C=F1(0)\mathcal C = F^{-1}(0)। (क) दर्शाइए कि मूल बिंदु के अतिरिक्त C\mathcal C के प्रत्येक बिंदु के निकट C\mathcal C एक 11-उपबहुविध है, और स्थानीय रूप से xx में या yy में एक आलेख (कौन-सा, कहाँ?)। (ख) (32,32)(\frac32, \frac32) पर स्पर्श रेखा परिकलित कीजिए। (ग) मूल बिंदु पर क्या होता है? (दो शाखाएँ काटती हैं: 00 से होकर जाने वाले C\mathcal C में दो C1\mathcal C^1 वक्र स्वतंत्र वेगों के साथ प्रस्तुत कीजिए, और निष्कर्ष निकालिए कि कोई सीधाकरण विद्यमान नहीं है।)

हल

हल — अभ्यास 20.4.

(क) F=3(x2y, y2x)\nabla F = 3(x^2 - y,\ y^2 - x) तभी और केवल तभी लुप्त होता है जब y=x2y = x^2 और x=y2x = y^2, अर्थात् x4=xx^4 = x: (0,0)(0,0) और (1,1)(1,1) पर; और केवल (0,0)(0,0) C\mathcal C पर है (F(1,1)=1F(1,1) = -1)। अतः C{0}\mathcal C\setminus\{0\} पर FF कोई निमज्जन है: इसलिए कोई 11-उपबहुविध, जो जहाँ Fy=3(y2x)0F_y = 3(y^2 - x) \neq 0 हो वहाँ स्थानीय रूप से आलेख y=ψ(x)y = \psi(x) है और जहाँ Fx=3(x2y)0F_x = 3(x^2 - y) \neq 0 हो वहाँ x=χ(y)x = \chi(y) (मूल बिंदु के बाहर कम से कम एक लागू होता है)।

(ख) (32,32)(\frac32, \frac32) पर: F=3(9432)(1,1)=94(1,1)\nabla F = 3(\frac94 - \frac32) (1, 1) = \frac94(1,1): स्पर्श रेखा x+y=3x + y = 3

(ग) परिमेय प्राचलन x=3t1+t3x = \frac{3t}{1 + t^3}, y=3t21+t3y = \frac{3t^2}{1+t^3} t=0t = 0 पर वेग (3,0)(3, 0) के साथ 00 से होकर जाता है; और xyx \leftrightarrow y की अदला-बदली करने पर (वक्र सममित है, अथवा 1/t1/t से पुनःप्राचलन कीजिए) वेग (0,3)(0, 3) के साथ 00 से होकर जाता दूसरा C1\mathcal C^1 वक्र मिलता है। किसी 11-उपबहुविध के लिए दो स्वतंत्र स्पर्श दिशाएँ असंभव हैं (उसकी स्पर्श समष्टि कोई रेखा है, प्रतिज्ञप्ति 20.6): अतः C\mathcal C मूल बिंदु पर कोई उपबहुविध नहीं है — अर्थात् कोई अनुप्रस्थ स्व-प्रतिच्छेदन।

अभ्यास 20.5 ★★

मान लीजिए Mn(R)M_n(\R) से सममित आव्यूहों की समष्टि SnS_n में F(M)=MTMF(M) = M^{\mathsf T}M। (क) दर्शाइए कि DF(M)(H)=MTH+HTMDF(M)(H) = M^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}M, और यह कि DF(M)DF(M) प्रत्येक MOnM \in O_n पर SnS_n पर आच्छादक है (SSnS \in S_n दिया हो तो H=12MSH = \frac12MS आज़माइए)। (ख) निष्कर्ष निकालिए कि On=F1(I)O_n = F^{-1}(I) n(n1)2\frac{n(n-1)}2 विमा का संहत C\mathcal C^\infty उपबहुविध है, जिसमें TIOn={H:HT=H}T_IO_n = \{H : H^{\mathsf T} = -H\}, अर्थात् प्रतिसममित आव्यूह। (ग) दर्शाइए कि प्रत्येक प्रतिसममित HH के लिए etHOn\eu^{tH} \in O_n: अर्थात् स्पर्श दिशाएँ समूह के भीतर वक्रों में समाकलित हो जाती हैं।

हल

हल — अभ्यास 20.5.

(क) 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}MMOnM \in O_n और सममित SS के लिए H=12MSH = \frac12MS DF(M)(H)=12(S+ST)=SDF(M)(H) = \frac12(S + S^{\mathsf T}) = S देता है: अतः SnS_n पर आच्छादक।

(ख) On=F1(I)O_n = F^{-1}(I), जिसमें FF अपने प्रत्येक बिंदु पर कोई निमज्जन है (SnS_n पर, जिसकी विमा n(n+1)2\frac{n(n+1)}2 है): अतः विमा n2n(n+1)2=n(n1)2n^2 - \frac{n(n+1)}2 = \frac{n(n-1)}2 का कोई उपबहुविध। संहत: संवृत (FF संतत) और परिबद्ध (स्तंभ इकाई सदिश हैं)। II पर स्पर्श: kerDF(I)={H:H+HT=0}\ker DF(I) = \{H : H + H^{\mathsf T} = 0\}

(ग) (etH)TetH=etHTetH=etHetH=I\bigl(\eu^{tH}\bigr)^{\mathsf T}\eu^{tH} = \eu^{tH^{\mathsf T}}\eu^{tH} = \eu^{-tH}\eu^{tH} = I (पक्षांतरण श्रेणी से होकर निकल जाता है; और क्रमविनिमेय आव्यूहों के चरघातांक गुणा हो जाते हैं, प्रमेय 19.8)।

अभ्यास 20.6 ★★

(क) दर्शाइए कि det ⁣:Mn(R)R\det \colon M_n(\R) \to \R का अवकलज Ddet(M)(H)=tr(com(M)TH)D\det(M)(H) = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{com}(M) ^{\mathsf T}H\bigr) है, जो प्रत्येक MSLnM \in SL_n पर शून्येतर है। (ख) निष्कर्ष निकालिए कि SLn(R)SL_n(\R) TISLn={H:trH=0}T_ISL_n = \{H : \operatorname{tr}H = 0\} के साथ विमा n21n^2 - 1 का उपबहुविध है। (ग) क्या GLn(R)GL_n(\R) उपबहुविध है? किस विमा का?

हल

हल — अभ्यास 20.6.

(क) व्युत्क्रमणीय MM के लिए 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) (II के निकट det\det का प्रसार: (1+λi)\prod(1 + \lambda_i) का रैखिक पद); और detMM1=com(M)T\det M\cdot M^{-1} = \operatorname{com}(M)^{\mathsf T} के साथ: Ddet(M)(H)=tr(com(M)TH)D\det(M)(H) = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{com} (M)^{\mathsf T}H\bigr), तथा यह सूत्र सघनता और सांतत्य से सभी MM तक बढ़ जाता है। SLnSL_n पर detM=1\det M = 1: Ddet(M)0D\det(M) \ne 0 (H=MH = M पर उसका मान tr(I)=ndetM=n\operatorname{tr}(I)\cdot\dots = n\det M = n है)।

(ख) SLn=det1(1)SL_n = \det^{-1}(1), जहाँ det\det कोई निमज्जन है (मान R\R में): अतः विमा n21n^2 - 1; और TISLn=kerDdet(I)={H:trH=0}T_ISL_n = \ker D\det(I) = \{H : \operatorname{tr}H = 0\}

(ग) GLnGL_n Mn(R)M_n(\R) का कोई विवृत उपसमुच्चय है (अभ्यास 6.8): अतः पूरी विमा n2n^2 का कोई उपबहुविध (सीधाकरण: तत्समक चार्ट)।

अभ्यास 20.7 ★★

लाग्राँज गुणकों से: (क) वृत्त x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 पर f(x,y)=xyf(x,y) = xy के चरम-मान ढूँढ़िए; (ख) दर्शाइए कि समस्त प्रायिकता सदिशों (p1,,pn)(p_1, \dots, p_n) (धनात्मक, जिनका योग 11 हो) में एन्ट्रॉपी pilnpi-\sum p_i\ln p_i ठीक एकसमान बंटन पर अधिकतम होती है; (ग) दीर्घवृत्त {x2/4+y2=1}\{x^2/4 + y^2 = 1\} का (1,0)(1, 0) से निकटतम बिंदु ढूँढ़िए, और गुणक समीकरण की ज्यामितीय जाँच कीजिए (अभिलंब संरेखण)।

हल

हल — अभ्यास 20.7.

(क) (y,x)=λ(2x,2y)(y, x) = \lambda(2x, 2y) और x2+y2=1x^2 + y^2 = 1: y=2λxy = 2\lambda x, x=2λyx = 2\lambda y x2=y2=12x^2 = y^2 = \frac12 दे देते हैं। xyxy के मान: ±12\pm\frac12: अतः ±12(1,1)\pm\frac1{\sqrt2}(1,1) पर उच्चिष्ठ 12\frac12, और ±12(1,1)\pm\frac1{\sqrt2}(1,-1) पर निम्निष्ठ 12-\frac12 (प्रतिबंध समुच्चय संहत है: चरम विद्यमान हैं)।

(ख) सिंप्लेक्स के अंतःभाग पर (pi>0p_i > 0) प्रतिबंध pi=1\sum p_i = 1 के साथ H(p)=pilnpiH(p) = -\sum p_i\ln p_i के लिए लाग्राँज: सभी ii के लिए lnpi1=λ-\ln p_i - 1 = \lambda: अतः सभी pip_i बराबर, pi=1np_i = \frac1n, H=lnnH = \ln n के साथ। संहत सिंप्लेक्स पर उच्चिष्ठ प्राप्त होता है; और यदि वह परिसीमा पर प्राप्त होता (कोई pi=0p_i = 0), तो बंटन n1\leq n - 1 बिंदुओं पर रहता और आगमन से Hln(n1)<lnnH \leq \ln(n-1) < \ln n: अतः आंतरिक क्रांतिक बिंदु ही वैश्विक उच्चिष्ठ है — अर्थात् एकसमान अज्ञान एंट्रॉपी को अधिकतम कर देता है।

(ग) संहत दीर्घवृत्त पर (x1)2+y2(x-1)^2 + y^2 को न्यूनतम कीजिए: (2(x1),2y)=λ(x2,2y)(2(x{-}1), 2y) = \lambda(\frac x2, 2y)। यदि y0y \neq 0 हो: λ=1\lambda = 1, तब 2(x1)=x22(x - 1) = \frac x2 x=43x = \frac43, y2=149=59y^2 = 1 - \frac49 = \frac59 देता है: दूरी2^2 =19+59=23= \frac19 + \frac59 = \frac23। यदि y=0y = 0 हो: x=±2x = \pm2, दूरियाँ 11 और 33। निकटतम बिंदु: (43,±53)\bigl(\frac43, \pm\frac{\sqrt5}3\bigr), दूरी 2/3<1\sqrt{2/3} < 1 पर। गुणक समीकरण कहता है कि (1,0)(1,0) से निकटतम बिंदु तक का रेखाखंड \nabla(दीर्घवृत्त) के समांतर है: अतः वह दीर्घवृत्त से लांबिक रूप से मिलता है, जैसा ज्यामिति माँगती है।

अभ्यास 20.8 ★★★

उदाहरण 20.8 को पूरा लिखिए: आगमन से सिद्ध कीजिए कि किसी वास्तविक सममित आव्यूह का अभिलक्षणिक सदिशों का प्रसामान्य लांबिक आधार होता है, जिसमें λ1λn\lambda_1 \geq \dots \geq \lambda_n रेली भागफल के क्रमागत प्रतिबंधित अधिकतम हैं। फिर इसी रचना से परिमित विमा में अभ्यास 15.8 के कूरां–फिशर सूत्र सीधे निकालिए।

हल

हल — अभ्यास 20.8.

nn पर आगमन; n=1n = 1 तुच्छ। रेली फलन f(x)=Ax,xf(x) = \langle Ax, x\rangle संहत Sn1S^{n-1} पर किसी v1v_1 पर अपना उच्चिष्ठ λ1\lambda_1 प्राप्त कर लेता है; और लाग्राँज (प्रमेय 20.7, स्तर समुच्चय के रूप में गोलक) 2Av1=2λv12Av_1 = 2\lambda v_1 दे देते हैं, तथा λ=Av1,v1=λ1\lambda = \langle Av_1, v_1\rangle = \lambda_1। अधिसमतल v1v_1^\perp AA-निश्चर है (सममिति: Av,v1=v,Av1=0\langle Av, v_1\rangle = \langle v, Av_1\rangle = 0); प्रतिबंध सममित है, और आगमन v1v_1^\perp का कोई लांबिक-प्रसामान्य अभिलक्षणिक आधार v2,,vnv_2, \dots, v_n अभिलक्षणिक मानों λ2λn\lambda_2 \geq \dots \geq \lambda_n के साथ दे देता है, जिनमें से प्रत्येक शेष लांबिक पूरक के गोलक पर ff का उच्चिष्ठ है। कूरां–फिशर ठीक अभ्यास 15.8 की भाँति निकलता है: x=civix = \sum c_iv_i का प्रसार कीजिए; किसी kk-विमीय परीक्षण समष्टि को Vect(vk,,vn)\operatorname{Vect}(v_k, \dots, v_n) से प्रतिच्छेदित कीजिए (Rn\R^n में विमा गणना) और minλk\min \leq \lambda_k पाइए, तथा Vect(v1,,vk)\operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_k) min=λk\min = \lambda_k प्राप्त कर लेता है।

अभ्यास 20.9 ★★★

(हादामार असमिका) स्तंभों c1,,cnc_1, \dots, c_n वाले MGLn(R)M \in GL_n(\R) के लिए:

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

जिसमें समता तभी और केवल तभी होती है जब स्तंभ लांबिक हों। (मापन से स्तंभों को मानक 11 तक सिमटाइए; गोलकों के संहत गुणन (Sn1)n(S^{n-1})^n पर det\det को अधिकतम कीजिए; किसी अधिकतमकारी पर प्रत्येक स्तंभ में अलग-अलग लाग्राँज cidet=λici\nabla_{c_i}\det = \lambda_ic_i देता है, और cidet\nabla_{c_i}\det com(M)\operatorname{com}(M) का ii-वाँ स्तंभ है: इससे MTMM^{\mathsf T}M विकर्ण निकालिए, अतः =I= I, और इसलिए det=±1\det = \pm1।) ज्यामितीय पाठ: किसी समांतर षट्फलक का आयतन उसकी कोर-लंबाइयों के गुणनफल से अधिक नहीं होता।

हल

हल — अभ्यास 20.9.

प्रत्येक स्तंभ को इकाई मानक पर मापने से det\abs{\det} ci\prod\norm{c_i} से भाग जाता है: अतः केवल यह सिद्ध करना पर्याप्त है कि जब सभी स्तंभ इकाई हों तब detM1\abs{\det M} \leq 1, जिसमें बराबरी तभी और केवल तभी जब MOnM \in O_n। फलन det\det संहत (Sn1)n(S^{n-1})^n पर संतत है: अतः वह किसी MM पर उच्चिष्ठ mdetI=1>0m \geq \det I = 1 > 0 प्राप्त कर लेता है। ii-वें को छोड़कर सभी स्तंभ स्थिर रखने पर det\det cic_i में रैखिक है और उसका प्रवणक com(M)\operatorname{com}(M) का ii-वाँ स्तंभ है; ii-वें गोलक पर लाग्राँज: com(M)i=λici\operatorname{com}(M)_{\cdot i} = \lambda_i c_i। सर्वसमिका MTcom(M)=det(M)IM^{\mathsf T}\operatorname{com}(M) = \det(M)\,I cj,com(M)i=det(M)δij\langle c_j, \operatorname{com}(M)_{\cdot i}\rangle = \det(M)\,\delta_{ij} के रूप में पढ़ी जाती है, अर्थात् λicj,ci=det(M)δij\lambda_i\langle c_j, c_i\rangle = \det(M)\delta_{ij}; j=ij = i लेने पर: λi=detM=m0\lambda_i = \det M = m \neq 0, और तब jij \neq i ci,cj=0\langle c_i, c_j\rangle = 0 दे देता है: अतः स्तंभ लांबिक-प्रसामान्य हैं, MOnM \in O_n, m=detM=1m = \abs{\det M} = 1। इसलिए सदैव detci\abs{\det} \leq \prod\norm{c_i}, जिसमें बराबरी ठीक लांबिक स्तंभों के लिए (वापस मापन कीजिए): अर्थात् दी गई कोर लंबाइयों के लिए किसी समांतरषट्फलक का आयतन तब सबसे बड़ा होता है जब कोरें परस्पर लंब हों।

अभ्यास 20.10 ★★

वृत्त S1S^1 अपने किन बिंदुओं के निकट कोई आलेख y=ψ(x)y = \psi(x) है? और कहाँ कोई आलेख x=χ(y)x = \chi(y)? (1,0)(1, 0) पर आलेख अभिलक्षण (प्रमेय 20.3(3)) स्पष्ट रूप से सत्यापित कीजिए, और एक वाक्य में समझाइए कि कोई निर्देशांक क्रमचय सदा पर्याप्त क्यों होता है पर कोई एक ही क्रमचय सदा काम क्यों नहीं करता।

हल

हल — अभ्यास 20.10.

y=±1x2y = \pm\sqrt{1 - x^2} y0y \neq 0 वाले प्रत्येक बिंदु के निकट काम करता है; x=±1y2x = \pm\sqrt{1 - y^2} x0x \neq 0 वाले प्रत्येक बिंदु के निकट; और (1,0)(1, 0) पर: y(1,1)y \in \intoo{-1}1 पर आलेख x=1y2x = \sqrt{1 - y^2}, जो निर्देशांक बदलकर प्रमेय 20.3(3) है। कोई न कोई क्रमचय सदा काम करता है क्योंकि स्पर्श रेखा, एक-विमीय होने के कारण, एक साथ ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज नहीं हो सकती — पर वह दोनों में से कोई भी हो सकती है, अतः “आश्रित” निर्देशांक का कोई एक स्थिर चयन प्रत्येक बिंदु पर काम नहीं आता।

अभ्यास 20.11 ★★

(उपबहुविध के रूप में लांबिक समूह, मात्रात्मक रूप से) (क) दर्शाइए कि On={M:MTM=I}O_n = \{M : M^{\mathsf T}M = I\} संहत है: परिबद्ध (प्रत्येक स्तंभ इकाई सदिश है, अतः यूक्लिडीय आव्यूह मानक के लिए Mn\norm M \leq \sqrt n) और संवृत। (ख) दर्शाइए कि II पर उसकी स्पर्श समष्टि प्रतिसममित आव्यूहों की समष्टि है, जिसकी विमा n(n1)2\frac{n(n-1)}2 है, और किसी व्यापक AOnA \in O_n पर: TAOn={AK:KT=K}T_AO_n = \{AK : K^{\mathsf T} = -K\}। (ग) निष्कर्ष निकालिए कि प्रत्येक प्रतिसममित KK के लिए प्रतिचित्रण tAexp(tK)t \mapsto A\exp(tK) AA से होकर जाता OnO_n का वेग AKAK वाला वक्र है (exp(X)T=exp(XT)\exp(X)^{\mathsf T} = \exp(X^{\mathsf T}) और exp(X)exp(X)=I\exp(-X)\exp(X) = I का उपयोग करके exp(tK)On\exp(tK) \in O_n सत्यापित कीजिए): अर्थात् प्रत्येक स्पर्श सदिश किसी स्पष्ट वक्र से साकार हो जाता है, और किसी अंतर्निहित फलन प्रमेय की आवश्यकता नहीं पड़ती।

हल

हल — अभ्यास 20.11.

(क) परिभाषक प्रतिचित्रण F(M)=MTMIF(M) = M^{\mathsf T}M - I संतत है: अतः On=F1(0)O_n = F^{-1}(0) संवृत है; और किसी लांबिक आव्यूह के स्तंभ इकाई सदिश हैं, अतः यूक्लिडीय (फ्रोबेनियस) मानक ठीक n\sqrt n है: परिबद्ध। इसलिए Mn(R)Rn2M_n(\R) \cong \R^{n^2} में हाइने–बोरेल से संहत

(ख) OnO_n अध्याय में अध्ययन किया गया स्तर समुच्चय F=0F = 0 है: DF(A)H=ATH+HTADF(A)H = A^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}A, जो प्रत्येक AOnA \in O_n पर सममित आव्यूहों पर आच्छादक है (कोई सममित SS दिया हो, तो H=12ASH = \frac12AS लीजिए), अतः OnO_n विमा n2n(n+1)2=n(n1)2n^2 - \frac{n(n+1)}2 = \frac{n(n-1)}2 का कोई उपबहुविध है जिसमें

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

A=IA = I पर ये प्रतिसममित आव्यूह हैं।

(ग) 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 (दोनों आव्यूह ±tK\pm tK क्रमविनिमेय हैं, अतः चरघातांकों का गुणनफल योग का चरघातांक है): exp(tK)On\exp(tK) \in O_n, और γ(t)=Aexp(tK)\gamma(t) = A\exp(tK) γ(0)=A\gamma(0) = A, γ(0)=AK\gamma'(0) = AK के साथ OnO_n में कोई वक्र है। जैसे-जैसे KK प्रतिसममित आव्यूहों पर चलता है, AKAK TAOnT_AO_n को झाड़ देता है: अतः चरघातांक समूची स्पर्श समष्टि को स्पष्ट वक्रों से साकार कर देता है — वही ली-समूह वाली शॉर्टकट जिसका समस्या 20.1 SO(3)SO(3) के लिए दोहन करता है।

अभ्यास 20.12 ★★

(दूरी के क्रांतिक बिंदु) मान लीजिए MRnM \subseteq \R^n कोई उपबहुविध है और pMp \notin M। दर्शाइए कि यदि x0Mx_0 \in M pp से दूरी को न्यूनतम करता हो (ऐसा बिंदु तब विद्यमान होता है जब MM संवृत और अरिक्त हो — क्यों?), तो

px0    Tx0Mp - x_0 \;\perp\; T_{x_0}M

(MM के वक्रों के अनुदिश tγ(t)p2t \mapsto \norm{\gamma(t) - p}^2 का अवकलन कीजिए)। निष्कर्ष निकालिए: किसी गोलक पर निकटतम बिंदु केंद्र से जाती किरण पर होता है; और इस शर्त का उपयोग करके p=(2,0)p = (2, 0) से परवलय y=x2y = x^2 तक की दूरी परिकलित कीजिए (किसी त्रिघात तक सिमटाइए और उसे संख्यात्मक रूप से तीन अंकों तक हल कीजिए)।

हल

हल — अभ्यास 20.12.

अस्तित्व: MM को pp के चारों ओर किसी बड़े संवृत गोले से प्रतिच्छेदित करके कोई अरिक्त संहत पाइए; संतत दूरी वहाँ अपना निम्निष्ठ प्राप्त कर लेती है, और गोले के बाहर के बिंदु अधिक दूर हैं। प्रथम-कोटि शर्त: γ(0)=x0\gamma(0) = x_0 वाले MM में किसी वक्र γ\gamma के लिए फलन h(t)=γ(t)p2h(t) = \norm{\gamma(t) - p}^2 अवकलनीय है जिसका 00 पर निम्निष्ठ है:

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

और γ(0)\gamma'(0) Tx0MT_{x_0}M को झाड़ देता है: अतः px0Tx0Mp - x_0 \perp T_{x_0}M। गोलक S(c,r)S(c, r): x0x_0 पर स्पर्श समष्टि (x0c)(x_0 - c)^\perp है, अतः px0x0cp - x_0 \parallel x_0 - c: इसलिए x0x_0 cc और pp से होकर जाती रेखा पर, cc से rr दूरी पर है — अर्थात् किरण बिंदु, जैसा ज्यामिति ज़ोर देती है। परवलय: x0=(x,x2)x_0 = (x, x^2) पर स्पर्श (1,2x)(1, 2x) से फैली है; और px0=(2x,x2)p - x_0 = (2 - x, -x^2) के प्रति लांबिकता

(2x)2x3=0,अर्थात्2x3+x2=0,(2 - x) - 2x^3 = 0, \qquad\text{अर्थात्}\qquad 2x^3 + x - 2 = 0,

के रूप में पढ़ी जाती है, जिसका अद्वितीय वास्तविक मूल (x2x3+xx \mapsto 2x^3 + x कड़ाई से वर्धमान है) x0.835x \approx 0.835 है; तब x0(0.835,0.698)x_0 \approx (0.835, 0.698) और d(p,M)=(20.835)2+0.69821.358d(p, M) = \sqrt{(2 - 0.835)^2 + 0.698^2} \approx 1.358

20.5 समस्या: SO(3)SO(3) और क्वाटर्नियन

समस्या 20.1

सप्ताहांत समस्या — घूर्णन, समूह S3S^3, और द्विक आवरण

क्वाटर्नियन H={t+xi+yj+zk}\mathbb H = \{t + x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k\} — वह बीजगणित जिसके इकाई समूह में समस्या 1.1 का Q8Q_8 है — त्रि-विमीय घूर्णनों का दो बार प्राचलन कर देते हैं: “किसी इकाई क्वाटर्नियन से संयुग्मन” प्रतिचित्रण अष्टि {±1}\{\pm1\} वाली एक आच्छादक समाकारिता S3SO(3)S^3 \to SO(3) है। हम सब कुछ बनाते हैं। स्मरण/परिभाषा: गुणन R\R-द्विरैखिक है, जिसमें i2=j2=k2=ijk=1\mathrm i^2 = \mathrm j^2 = \mathrm k^2 = \mathrm{ijk} = -1; q=t+xi+yj+zkq = t + x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k का संयुग्म qˉ=txiyjzk\bar q = t - x\mathrm i - y\mathrm j - z\mathrm k है; और N(q)=qqˉ=t2+x2+y2+z2N(q) = q\bar q = t^2 + x^2 + y^2 + z^2

भाग I — बीजगणित H\mathbb H और समूह S3S^3

  1. सत्यापित कीजिए कि H\mathbb H केंद्र R\R वाला एक साहचर्य R\R-बीजगणित है, कि pq=qˉpˉ\overline{pq} = \bar q\,\bar p, और यह कि N(pq)=N(p)N(q)N(pq) = N(p)N(q) (एक साफ मार्ग: qq को q=α+βjq = \alpha + \beta\mathrm j के साथ 2×22\times2 सम्मिश्र आव्यूह (αββˉαˉ)\bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ -\bar\beta & \bar\alpha\end{smallmatrix}\bigr) के रूप में निरूपित कीजिए, और det\det का उपयोग कीजिए)
  2. निष्कर्ष निकालिए कि प्रत्येक q0q \neq 0 व्युत्क्रमणीय है (q1=qˉ/N(q)q^{-1} = \bar q/N(q)): अतः H\mathbb H एक (अक्रमविनिमेय) क्षेत्र है, और S3={N(q)=1}S^3 = \{N(q) = 1\} एक समूह — तथा R4\R^4 का संहत 33-उपबहुविध भी (उदाहरण 20.4)।

भाग II — घूर्णन समाकारिता। R3\R^3 की पहचान शुद्ध क्वाटर्नियनों P={xi+yj+zk}P = \{x\mathrm i + y\mathrm j + z\mathrm k\} से कीजिए, और qS3q \in S^3 के लिए ρq(v)=qvqˉ\rho_q(v) = q\,v\,\bar q परिभाषित कीजिए।

  1. दर्शाइए कि ρq\rho_q PP को PP में भेजता है (शुद्ध क्वाटर्नियन वे हैं जिनके लिए vˉ=v\bar v = -v), R\R-रैखिक है, मानक सुरक्षित रखता है, और यह कि ρ ⁣:qρq\rho \colon q \mapsto \rho_q एक समूह समाकारिता S3O(3)S^3 \to O(3) है।
  2. अष्टि परिकलित कीजिए: ρq=id\rho_q = \mathrm{id} तभी और केवल तभी जब qq i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k के साथ क्रमविनिमेय हो, अर्थात् तभी और केवल तभी जब qRS3={±1}q \in \R\cap S^3 = \{\pm1\}
  3. uPu \in P, N(u)=1N(u) = 1 के साथ q=cosθ2+sinθ2uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u लिखिए (qS3q \in S^3 के लिए यह सदा संभव क्यों है?)। दर्शाइए कि ρq\rho_q uu को स्थिर रखता है और समतल uPu^\perp\cap P पर कोण θ\theta के घूर्णन की तरह क्रिया करता है (लांबिक शुद्ध इकाइयों के लिए uw=wuuw = -wu का उपयोग करते हुए wuw \perp u के लिए ρq(w)\rho_q(w) परिकलित कीजिए — यह सर्वसमिका गुणन सारणी से, अथवा uw+wu=2u,wuw + wu = -2\langle u, w\rangle से सिद्ध कीजिए)
  4. निष्कर्ष निकालिए: imρSO(3)\operatorname{im}\rho \subseteq SO(3) (प्रत्येक ρq\rho_q ऊपर परिकलित अक्ष और कोण वाला घूर्णन है — सारणिक +1+1 संबद्ध S3S^3 पर qdetρqq \mapsto \det\rho_q के सांतत्य से, अथवा सीधे), और ρ\rho SO(3)SO(3) पर आच्छादक है: R3\R^3 के प्रत्येक घूर्णन का कोई अक्ष होता है (सिद्ध कीजिए: det=1\det = 1 वाले किसी वास्तविक 3×33\times3 लांबिक आव्यूह का अभिलक्षणिक मान 11 होता है — अभिलक्षणिक बहुपद पर विचार कीजिए) और इसलिए वह कोई ρq\rho_q है। सार:

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

भाग III — उपबहुविध के रूप में SO(3)SO(3); रोद्रीग।

  1. दर्शाइए कि SO(3)SO(3) M3(R)M_3(\R) का संहत 33-विमीय उपबहुविध है, जिसमें TISO(3)=T_ISO(3) = प्रतिसममित आव्यूह हैं (अभ्यास 20.5; और सारणिक शर्त घटकों में से कुछ का चयन कर लेती है)।
  2. uR3u \in \R^3 (Auv=uvA_uv = u\wedge v, सदिश गुणन) से संबद्ध प्रतिसममित आव्यूह AuA_u के लिए रोद्रीग का सूत्र सिद्ध कीजिए:

    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)

    (Au3=AuA_u^3 = -A_u से: चरघातांकी श्रेणी को AuA_u की घातों के अनुदिश बाँटिए), और उसे अक्ष uu तथा कोण θ\theta के घूर्णन के रूप में पहचानिए। निष्कर्ष निकालिए कि exp\exp प्रतिसममित आव्यूहों को SO(3)SO(3) पर भेजता है।

  3. दोनों प्राचलनों को जोड़िए: दर्शाइए कि q(t)=cost2+sint2uq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,u के साथ tρq(t)t \mapsto \rho_{q(t)} घूर्णनों का एक-प्राचल समूह है जिसका t=0t = 0 पर अवकलज AuA_u है — अर्थात् क्वाटर्नियनी और आव्यूह चरघातांकी क्रमशः आधी और पूरी गति से वही कहानी कहते हैं।

भाग IV — द्विक आवरण, अनुभव से।

  1. दर्शाइए कि पथ q(t)=cost2+sint2kq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,\mathrm k, t[0,2π]t \in \intcc0{2\pi}, SO(3)SO(3) में एक फंदा है (उसका प्रतिबिंब ρq(t)\rho_{q(t)} तत्समक पर लौट आता है) जिसका क्वाटर्नियनी उठान फंदा नहीं है: q(2π)=q(0)q(2\pi) = -q(0)t=4πt = 4\pi तक जारी रखने पर उठान बंद हो जाता है। एक छोटे अनुच्छेद में समझाइए कि यह क्या कहता है: 2π2\pi घूर्णन को संततता से पूर्ववत नहीं किया जा सकता जबकि 4π4\pi घूर्णन को किया जा सकता है (पट्टा युक्ति), क्योंकि SO(3)SO(3) के फंदे उसके द्विक आवरण S3S^3 में पकड़े जाते हैं।
  2. व्यावहारिक लाभांश भी निकालिए: घूर्णनों का संयोजन = क्वाटर्नियनों का गुणन (99 के बदले 44 गुणनों जितने आँकड़े, और लांबिकता से कोई बहाव नहीं) — इसे i\mathrm i और j\mathrm j के परितः दो चौथाई-घूर्णनों के संयोजन पर सत्यापित कीजिए: गुणनफल का अक्ष और कोण परिकलित कीजिए।

भाग V — स्पष्ट आव्यूह: ऑयलर–रोद्रीग। q=a+bi+cj+dkS3q = a + b\mathrm i + c\mathrm j + d\mathrm k \in S^3 लिखिए, जिससे a2+b2+c2+d2=1a^2 + b^2 + c^2 + d^2 = 1

  1. गुणन सारणी से ρq(i)\rho_q(\mathrm i) पूरा परिकलित कीजिए; फिर चक्रीय प्रतिस्थापन 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) से ρq(j)\rho_q(\mathrm j) और ρq(k)\rho_q(\mathrm k) प्राप्त कीजिए (इसे उचित ठहराइए: i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k का चक्रीकरण H\mathbb H की किसी स्वसमाकारिता तक बढ़ जाता है, क्योंकि परिभाषक संबंध चक्रीय रूप से सममित हैं)। निष्कर्ष निकालिए कि आधार (i,j,k)(\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k) में ρq\rho_q का आव्यूह ऑयलर–रोद्रीग आव्यूह

    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}.

    है।

  2. (किसी घूर्णन को उलटकर पढ़ना) प्रश्न 5 और 8 के संकेतन में दर्शाइए कि

    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,

    इससे किसी घूर्णन आव्यूह RR से ±q\pm q पुनः प्राप्त करने की कोई कलनविधि निकालिए: कोण अनुरेख से; अक्ष प्रतिसममित भाग से जब 0<θ<π0 < \theta < \pi; और जब θ=π\theta = \pi हो तब सर्वसमिका R+I=2uuTR + I = 2\,uu^{\mathsf T} सिद्ध करके उसका उपयोग कीजिए।

  3. प्रश्न 11 के गुणनफल q=12(1+i+j+k)q = \frac12(1 + \mathrm i + \mathrm j + \mathrm k) के लिए RqR_q का मान निकालिए: एक क्रमचय आव्यूह प्रकट होता है। उस घूर्णन को पहचानिए और प्रश्न 11 में मिले अक्ष तथा कोण से मेल कराइए।

भाग VI — S3S^3 के भीतर: SU(2)SU(2), संयुग्मन वर्ग, चरघातांकी।

  1. दर्शाइए कि प्रश्न 1 का आव्यूह निरूपण (उसे Φ\Phi कहिए) S3S^3 से विशेष एकात्मक समूह

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

    पर एक समूह तुल्याकारिता तक प्रतिबंधित हो जाता है (आच्छादकता के लिए किसी व्यापक 2×22\times2 सम्मिश्र आव्यूह के लिए समीकरण U1=UU^{-1} = U^* और detU=1\det U = 1 लिखिए)

  2. दर्शाइए कि वास्तविक भाग S3S^3 पर एक संयुग्मन अपरिवर्ती है — सभी pS3p \in S^3 के लिए Re(pqpˉ)=Req\operatorname{Re}(pq\bar p) = \operatorname{Re}q — और विलोमतः, कि समान वास्तविक भाग वाले दो इकाई क्वाटर्नियन S3S^3 में संयुग्म होते हैं (इसे एक इकाई शुद्ध अक्ष को दूसरे पर ले जाने तक सिमटाइए, जो भाग II दे देता है)S3S^3 के संयुग्मन वर्गों का ज्यामितीय वर्णन कीजिए; उन्हें SU(2)SU(2) में अनूदित कीजिए (अनुरेख के स्तर समुच्चय); और ρ\rho से प्रक्षेपित कीजिए: दो घूर्णन SO(3)SO(3) में संयुग्म हैं तभी और केवल तभी जब उनका कोण θ[0,π]\theta \in \intcc0\pi एक ही हो।
  3. H\mathbb H पर exp\exp को चरघातांकी श्रेणी से परिभाषित कीजिए; q=N(q)\abs q = \sqrt{N(q)} के लिए pq=pq\abs{pq} = \abs p\,\abs q का उपयोग करते हुए निरपेक्ष अभिसरण जाँचिए। किसी इकाई शुद्ध uu और θR\theta \in \R के लिए दर्शाइए

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

    इससे निष्कर्ष निकालिए कि exp\exp अधिसमतल PP को S3S^3 पर भेजता है, और जाँचिए कि ρexp(su)=e2sAu\rho_{\exp(su)} = \eu^{2sA_u}: अर्थात् प्रश्न 9 की अर्ध-कोण परिघटना फिर से।

  4. शुद्ध क्वाटर्नियनों v,wv, w के लिए गुणन नियम vw=v,w+vwvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w सिद्ध कीजिए, अतः क्रमविनिमेयक सर्वसमिका vwwv=2vwvw - wv = 2\,v\wedge w; और प्रश्न 8 के आव्यूहों के लिए [Av,Aw]=Avw[A_v, A_w] = A_{v\wedge w} भी सिद्ध कीजिए। निष्कर्ष निकालिए कि वक्रों texp(tv)t \mapsto \exp(tv) के अनुदिश 11 पर ρ\rho का अवकलज PP से प्रतिसममित आव्यूहों पर रैखिक तुल्याकारिता v2Avv \mapsto 2A_v है, और यह कि वह क्वाटर्नियन क्रमविनिमेयक को आव्यूह क्रमविनिमेयक पर ले जाता है।

भाग VII — वैश्विक संरचना।

  1. (कोई संतत खंड नहीं) मान लीजिए s ⁣:SO(3)S3s \colon SO(3) \to S^3 ρs=id\rho \circ s = \operatorname{id} के साथ संतत है। प्रश्न 10 के फंदे R(t)=ρq(t)R(t) = \rho_{q(t)} के लिए t[0,2π]t \in \intcc0{2\pi} हेतु ε(t)=s(R(t))q(t)1\varepsilon(t) = s(R(t))\,q(t)^{-1} रखिए। दर्शाइए कि ε\varepsilon {±1}\{\pm1\} में मान लेते हुए संतत है, और विरोधाभास निकालिए: अर्थात् प्रत्येक घूर्णन को निरूपित करने वाले इकाई क्वाटर्नियन का कोई संतत वैश्विक चयन विद्यमान नहीं है।
  2. (गोला मॉडल) मान लीजिए BˉR3\bar B \subseteq \R^3 त्रिज्या π\pi का संवृत गोला है और E(0)=IE(0) = I के साथ E(v)=eAvE(v) = \eu^{A_v}। दर्शाइए कि EE Bˉ\bar B को SO(3)SO(3) पर भेजता है, विवृत गोले पर एकैकी है, और परिसीमा गोलक पर ठीक प्रतिध्रुवों की पहचान कर देता है: E(πu)=E(πu)=2uuTIE(\pi u) = E(-\pi u) = 2uu^{\mathsf T} - I, और कोई अन्य संपात नहीं। अतः SO(3)SO(3) प्रतिध्रुवी परिसीमा बिंदुओं को जोड़ा हुआ गोला है — अर्थात् प्रक्षेपी समष्टि RP3\mathbb{RP}^3 — और कोई व्यास प्रश्न 10 का असंकोच्य फंदा बन जाता है।
  3. दर्शाइए कि ρpρqρp1=ρpqpˉ\rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p}; कि SO(3)SO(3) के स्वप्रतिलोमी अवयव (R2=IR^2 = I वाले RIR \neq I) ठीक अर्ध-घूर्णन ρw\rho_w हैं जहाँ ww कोई इकाई शुद्ध क्वाटर्नियन है; और यह कि SO(3)SO(3) का केंद्र तुच्छ है।
  4. दर्शाइए कि प्रत्येक घूर्णन दो अर्ध-घूर्णनों का गुणनफल है: q=cosθ2+sinθ2uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u के लिए कोई इकाई शुद्ध wuw \perp u चुनिए, जाँचिए कि w=qww' = qw पुनः कोई इकाई शुद्ध क्वाटर्नियन है, और ρq=ρwρw\rho_q = \rho_{w'}\rho_w सत्यापित कीजिए। दोनों अक्ष कहाँ हैं, और उनके बीच कौन-सा कोण है?
  5. संस्थितिक सार निकालिए: SO(3)SO(3) संहत और पथ-संबद्ध है (दो उपपत्तियाँ दीजिए: ρ\rho के अंतर्गत S3S^3 का संतत प्रतिबिंब; और exp\exp का प्रतिबिंब), जबकि O(3)O(3) के ठीक दो संबद्ध घटक हैं, और प्रत्येक SO(3)SO(3) का समस्थितिक है।
  6. (एक संयोजन, तीन प्रकार से) मान लीजिए R1R_1 zz-अक्ष के परितः π2\frac\pi2 का घूर्णन है और R2R_2 xx-अक्ष के परितः π2\frac\pi2 का। R2R1R_2R_1 का अक्ष और कोण परिकलित कीजिए: (क) दोनों 3×33\times3 आव्यूहों को गुणा करके और अनुरेख/प्रतिसममित भाग (भाग V) का उपयोग करके; (ख) संगत इकाई क्वाटर्नियनों q2q1q_2q_1 को गुणा करके। जाँचिए कि दोनों उत्तर मेल खाते हैं: कोण 2π3\frac{2\pi}3, अक्ष 13(1,1,1)\frac1{\sqrt3}(1, -1, 1)
  7. (केली रूपांतर) प्रतिसममित KK के लिए दर्शाइए कि I+KI + K व्युत्क्रमणीय है और

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

    जिसमें 1-1 C(K)C(K) का अभिलक्षणिक मान कभी नहीं होता; दर्शाइए कि KC(K)K \mapsto C(K) प्रतिसममित आव्यूहों से {RSO(n):1SpR}\{R \in SO(n) : -1 \notin \operatorname{Sp}R\} पर एक एकैकी आच्छादक संगति है, जिसका प्रतिलोम R(IR)(I+R)1R \mapsto (I - R)(I + R)^{-1} है। (SO(n)SO(n) का एक परिमेय चार्ट, जो अभ्यास 20.11 के अबीजीय exp\exp का सहचर है।)

हल

हल — समस्या 20.1.

1. α=t+ix\alpha = t + \iu x, β=y+iz\beta = y + \iu z के साथ प्रतिचित्रण 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): जाँचने पर 1,i,j,k1, \mathrm i, \mathrm j, \mathrm k 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) पर जाते हैं, जिनके गुणनफल क्वाटर्नियन सारणी पुनरुत्पन्न कर देते हैं: अतः यह प्रतिचित्रण कोई एकैकी बीजगणित समाकारिता है, इसलिए H\mathbb H को साहचर्यता विरासत में मिलती है; N(q)=α2+β2=detN(q) = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2 = \det गुणनात्मक है, और संयुग्मन सहगुणक-पक्षांतर से मेल खाता है, जिससे pq=qˉpˉ\overline{pq} = \bar q\bar p मिलता है। केंद्र: i\mathrm i के साथ क्रमविनिमेयता y=z=0y = z = 0 अनिवार्य कर देती है, और j\mathrm j के साथ x=0x = 0: अतः R\R

2. qqˉ=N(q)q\bar q = N(q): q0q \neq 0 के लिए q1=qˉ/N(q)q^{-1} = \bar q/N(q): अर्थात् कोई विभाजन बीजगणित। S3S^3 पर: N(pq)=1N(pq) = 1 और N(q1)=1N(q^{-1}) = 1: अतः कोई समूह; और S3R4S^3 \subseteq \R^4 इकाई गोलक है: अर्थात् कोई संहत 33-उपबहुविध।

3. vv शुद्ध है तभी और केवल तभी जब vˉ=v\bar v = -v; तब qvqˉ=qvˉqˉ=qvqˉ\overline{qv\bar q} = q\bar v\bar q = -qv\bar q: अतः ρq\rho_q PP सुरक्षित रखता है। रैखिकता स्पष्ट है; N(qvqˉ)=N(q)N(v)N(q)=N(v)N(qv\bar q) = N(q)N(v)N(q) = N(v): अर्थात् (P,N)(R3,2)(P, N) \cong (\R^3, \norm\cdot^2) की कोई समदूरीयता: ρqO(3)\rho_q \in O(3)। और 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)): अतः कोई समाकारिता।

4. ρq=id\rho_q = \mathrm{id} तभी और केवल तभी जब सभी शुद्ध vv के लिए qv=vqqv = vq, और तभी जब qq i,j,k\mathrm i, \mathrm j, \mathrm k के साथ क्रमविनिमेय हो, और तभी जब qq केंद्रीय हो (प्रश्न 1): qRS3={±1}q \in \R\cap S^3 = \{\pm1\}

5. q=t+pq = t + p लिखिए (tRt \in \R, pp शुद्ध): 1=N(q)=t2+N(p)1 = N(q) = t^2 + N(p), अतः t=cosθ2t = \cos\frac\theta2 और किसी θ\theta के लिए N(u)=1N(u) = 1 के साथ p=sinθ2up = \sin\frac\theta2\,u (यदि p=0p = 0 हो, तो q=±1q = \pm1 तुच्छ रूप से क्रिया करता है)। चूँकि u2=N(u)=1u^2 = -N(u) = -1, अतः qq और uu क्रमविनिमेय हैं, और ρq(u)=quqˉ=uqqˉ=u\rho_q(u) = qu\bar q = uq\bar q = u: अर्थात् अक्ष। शुद्ध इकाइयों wuw \perp u के लिए: गुणनफल नियम vw=v,w+vwvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w (सारणी से निर्देशांकों में प्रसार कीजिए) uw=uw=wuuw = u\wedge w = -wu दे देता है। तब uwu=u2w=wuwu = -u^2w = w और द्विक-कोण सूत्रों का उपयोग करते हुए

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),

अर्थात् अभिविन्यस्त समतल (w,uw)(w, u\wedge w) में कोण θ\theta का घूर्णन।

6. प्रत्येक ρq\rho_q uu के परितः θ\theta भर घूर्णन है: लांबिक-प्रसामान्य आधार (u,w,uw)(u, w, u\wedge w) में उसके आव्यूह का सारणिक +1+1 है: अतः imρSO(3)\operatorname{im}\rho \subseteq SO(3)। आच्छादकता: किसी आव्यूह RSO(3)R \in SO(3) का 11 कोई अभिलक्षणिक मान है, क्योंकि

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),

अतः det(RI)=0\det(R - I) = 0। कोई इकाई अभिलक्षणिक सदिश uu लीजिए; RR uu^\perp सुरक्षित रखता है और वहाँ किसी कोण θ\theta के घूर्णन तक प्रतिबंधित हो जाता है (समतलीय लांबिक, सारणिक 11): q=cosθ2+sinθ2uq = \cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2\,u के लिए R=ρqR = \rho_q। प्रश्न 4 और प्रथम तुल्याकारिता प्रमेय (प्रमेय 1.3) के साथ: SO(3)S3/{±1}SO(3) \cong S^3/\{\pm1\}

7. O3O_3 कोई संहत 33-विमीय उपबहुविध है (अभ्यास 20.5); det\det उस पर {±1}\{\pm1\} में मान लेते हुए संतत है, अतः SO(3)=O3{det=1}SO(3) = O_3\cap\{\det = 1\} O3O_3 में विवृत और संवृत है: अर्थात् संबद्ध घटकों का कोई संघ, इसलिए स्वयं कोई संहत 33-उपबहुविध, जिसकी II पर वही स्पर्श समष्टि है: प्रतिसममित आव्यूह।

8. Au2v=u(uv)=u,vuvA_u^2v = u\wedge(u\wedge v) = \langle u, v\rangle u - v (इकाई uu), अतः Au3v=u(u,vuv)=uvA_u^3v = u\wedge(\langle u,v\rangle u - v) = -u\wedge v: Au3=AuA_u^3 = -A_u। संबंध A3=AA^3 = -A के मापांक में घातों के अवशेषों से चरघातांकी श्रेणी को विभाजित करने पर:

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 .

uu पर: Auu=0A_uu = 0: स्थिर। wuw \perp u पर: 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: अर्थात् अक्ष uu, कोण θ\theta का घूर्णन — रोद्रीग। प्रत्येक घूर्णन इसी रूप का है (प्रश्न 6): अतः exp\exp प्रतिसममित आव्यूहों से SO(3)SO(3) पर आच्छादक है।

9. q(t)=cost2+sint2uq(t) = \cos\frac t2 + \sin\frac t2\,u के साथ: प्रश्न 5 दिखा देता है कि ρq(t)\rho_{q(t)} अक्ष uu और कोण tt का घूर्णन है, अर्थात् ρq(t)=etAu\rho_{q(t)} = \eu^{tA_u}, जिसका t=0t = 0 पर अवकलज AuA_u है। क्वाटर्नियन आधे कोण पर चलता है — द्विक आवरण का वैश्लेषिक चिह्न।

10. ρq(t)\rho_{q(t)} k\mathrm k के परितः कोण tt का घूर्णन है: t=2πt = 2\pi पर वह तत्समक पर लौट आता है — अर्थात् SO(3)SO(3) में कोई फंदा। उसका उत्थापन q(2π)=cosπ=1=q(0)q(2\pi) = \cos\pi = -1 = -q(0) संतुष्ट करता है: अतः उठाया गया पथ संवृत नहीं है; और केवल t=4πt = 4\pi पर qq 11 पर लौटता है। व्याख्या: पूर्ण घूर्णनों का फंदा SO(3)SO(3) में संकुचनीय नहीं है — उसका उत्थापन आवरण की दूसरी परत पर समाप्त होता है — जबकि द्विक फंदा है; और पट्टियों से अपने परिवेश से बँधा कोई पिंड 4π4\pi के बाद बिना ऐंठन वाली अवस्था में लौट आता है, 2π2\pi के बाद नहीं। घूर्णन समूह पूर्ण चक्करों की सम-विषमता याद रखते हैं; और S3S^3, जो सरल संबद्ध है, वहीं वह स्मृति रहती है।

11. चौथाई चक्कर: 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। गुणनफल (पहले j\mathrm j-चक्कर लगाकर):

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),

जिसका मानक 11 है, cosθ2=12\cos\frac\theta2 = \frac12 के साथ: θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, और अक्ष u=i+j+k3u = \frac{\mathrm i + \mathrm j + \mathrm k}{\sqrt3} (मानकीकृत शुद्ध भाग)। लांबिक अक्षों के परितः दो क्रमिक चौथाई-चक्कर घन के मुख्य विकर्ण के परितः 120120^\circ घूर्णन बना देते हैं — चार वास्तविक गुणनों भर का लेखा-जोखा, और लांबिकता ठीक-ठीक सुरक्षित: यही कारण है कि उड़ान सॉफ़्टवेयर और आलेखिकी इंजन घूर्णनों का संयोजन क्वाटर्नियनों से करते हैं।

12. सारणी से ji=k\mathrm{ji} = -\mathrm k और ki=j\mathrm{ki} = \mathrm j, अतः

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 .

अदिश–सदिश नियम (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 के साथ qˉ=abicjdk\bar q = a - b\mathrm i - c\mathrm j - d\mathrm k से गुणा करने पर, जहाँ p1=(a,d,c)p_1 = (a, d, -c) और p2=(b,c,d)p_2 = (-b, -c, -d): अदिश भाग ab(ab)=0-ab - (-ab) = 0 है (शुद्ध, जैसा होना ही चाहिए), और सदिश भाग

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):

है, अर्थात् RqR_q का प्रथम स्तंभ। चक्रीय प्रतिचित्रण σ(i)=j\sigma(\mathrm i) = \mathrm j, σ(j)=k\sigma(\mathrm j) = \mathrm k, σ(k)=i\sigma(\mathrm k) = \mathrm i संबंध i2=j2=k2=ijk=1\mathrm i^2 = \mathrm j^2 = \mathrm k^2 = \mathrm{ijk} = -1 सुरक्षित रखता है (शब्द ijk\mathrm{ijk} संबंध ijk=jki\mathrm{ijk} = \mathrm{jki} तक चक्रीय रूप से निश्चर है, जो किसी भी वलय में लागू होता है: व्युत्क्रमणीय i\mathrm i से ijk=1\mathrm{ijk} = -1 का संयुग्मन), अतः σ\sigma किसी R\R-बीजगणित स्वसमाकारिता तक बढ़ जाता है, और σ(ρq(v))=ρσ(q)(σ(v))\sigma(\rho_q(v)) = \rho_{\sigma(q)}(\sigma(v))। खोलने पर j\mathrm j का प्रतिबिंब ijki\mathrm i \to \mathrm j \to \mathrm k \to \mathrm i के रूप में आधार को पुनःनामित करके (b,c,d)(c,d,b)(b, c, d) \to (c, d, b) प्रतिस्थापित करने के बाद वही प्रथम-स्तंभ सूत्र है, जो ठीक दिखाया गया दूसरा स्तंभ है; और एक और चक्कर तीसरा दे देता है।

13. विकर्ण का योग लेने पर trRq=3a2(b2+c2+d2)=4a21\operatorname{tr}R_q = 3a^2 - (b^2 + c^2 + d^2) = 4a^2 - 1 (इकाई मानक), और a=cosθ2a = \cos\frac\theta2 के साथ: 4cos2θ21=1+2cosθ4\cos^2\frac\theta2 - 1 = 1 + 2\cos\theta। प्रतिसममित भाग: RqRqTR_q - R_q^{\mathsf T} की तीनों स्वतंत्र प्रविष्टियाँ 4ab,4ac,4ad4ab, 4ac, 4ad हैं (स्थानों (3,2),(1,3),(2,1)(3,2), (1,3), (2,1) पर), अतः m=2a(b,c,d)=2cosθ2sinθ2u=sinθum = 2a\,(b, c, d) = 2\cos\frac\theta2\sin\frac\theta2\,u = \sin\theta\,u के साथ 12(RqRqT)=Am\frac12(R_q - R_q^{\mathsf T}) = A_m। कलनविधि: θ=arccostrR12[0,π]\theta = \arccos\frac{\operatorname{tr}R - 1}{2} \in \intcc0\pi; यदि 0<θ<π0 < \theta < \pi हो, तो RRT2sinθ\frac{R - R^{\mathsf T}}{2\sin\theta} से uu पढ़ लीजिए और q=±(cosθ2+sinθ2u)q = \pm(\cos\frac\theta2 + \sin\frac\theta2 u) रखिए; और यदि θ=0\theta = 0 हो, तो q=±1q = \pm1θ=π\theta = \pi के लिए: a=0a = 0, और रोद्रीग (प्रश्न 8) R=I+2Au2=I+2(uuTI)=2uuTIR = I + 2A_u^2 = I + 2(uu^{\mathsf T} - I) = 2uu^{\mathsf T} - I देता है, अर्थात् R+I=2uuTR + I = 2uu^{\mathsf T}; R+IR + I का कोई भी शून्येतर स्तंभ, मानकीकृत, ±u\pm u है, और q=±uq = \pm u

14. a=b=c=d=12a = b = c = d = \frac12 के साथ: सभी विकर्ण प्रविष्टियाँ लुप्त हो जाती हैं, 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},

अर्थात् चक्रीय क्रमचय e1e2e3e1e_1 \to e_2 \to e_3 \to e_1। उसका संचिह्न 0=1+2cosθ0 = 1 + 2\cos\theta है, अतः θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, और वह (1,1,1)(1,1,1) को स्थिर रखता है: अर्थात् मुख्य विकर्ण के परितः 120120^\circ भर घूर्णन — ठीक प्रश्न 11 का उत्तर, जो अब उस आव्यूह के रूप में दिखता है जो निर्देशांक अक्षों का चक्र लगाता है।

15. आधार पर जाँचने पर Φ(qˉ)=Φ(q)\Phi(\bar q) = \Phi(q)^* (qˉ\bar q के आव्यूह का α=αˉ\alpha' = \bar\alpha, β=β\beta' = -\beta है, जो (αββˉαˉ)\bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ -\bar\beta & \bar\alpha\end{smallmatrix}\bigr) का संयुग्म पक्षांतर है)। अतः Φ(q)Φ(q)=Φ(qˉq)=N(q)I\Phi(q)^*\Phi(q) = \Phi(\bar qq) = N(q)I और detΦ(q)=α2+β2=N(q)\det\Phi(q) = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2 = N(q): qS3q \in S^3 के लिए Φ(q)SU(2)\Phi(q) \in SU(2), और Φ\Phi कोई एकैकी समाकारिता है (प्रश्न 1)। आच्छादकता: मान लीजिए detU=1\det U = 1 के साथ U=(αβγδ)U = \bigl(\begin{smallmatrix}\alpha & \beta\\ \gamma & \delta\end{smallmatrix}\bigr); तब U1=(δβγα)U^{-1} = \bigl(\begin{smallmatrix}\delta & -\beta\\ -\gamma & \alpha\end{smallmatrix}\bigr), और U1=U=(αˉγˉβˉδˉ)U^{-1} = U^* = \bigl(\begin{smallmatrix}\bar\alpha & \bar\gamma\\ \bar\beta & \bar\delta\end{smallmatrix}\bigr) δ=αˉ\delta = \bar\alpha, γ=βˉ\gamma = -\bar\beta अनिवार्य कर देता है, और तब 1=detU=α2+β21 = \det U = \abs\alpha^2 + \abs\beta^2: अतः निर्देशांक α=a+ib\alpha = a + \iu b, β=c+id\beta = c + \iu d वाले इकाई क्वाटर्नियन qq के लिए U=Φ(q)U = \Phi(q)। इसलिए S3SU(2)S^3 \cong SU(2)

16. वास्तविक अदिश केंद्रीय हैं और N(p)=1N(p) = 1 pqpˉ=pqˉpˉ\overline{pq\bar p} = p\bar q\bar p देता है, अतः pqpˉ+pqpˉ=p(q+qˉ)pˉ=q+qˉpq\bar p + \overline{pq\bar p} = p(q + \bar q)\bar p = q + \bar q: वास्तविक भाग निश्चर है। विलोमतः मान लीजिए Req=Req=a\operatorname{Re}q = \operatorname{Re}q' = a; तब शुद्ध भागों का मानक एक ही 1a2=s\sqrt{1 - a^2} = s है। यदि s=0s = 0 हो, तो q=q=±1q = q' = \pm1। यदि s>0s > 0 हो, तो इकाई शुद्ध u,uu, u' के साथ q=a+suq = a + su, q=a+suq' = a + su' लिखिए; प्रश्न 6 uu' को uu पर ले जाता कोई घूर्णन देता है, अर्थात् ρp(u)=u\rho_p(u') = u के साथ pS3p \in S^3, और तब pqpˉ=a+sρp(u)=qpq'\bar p = a + s\rho_p(u') = q। अतः S3S^3 के वर्ग {1}\{1\}, {1}\{-1\}, और प्रत्येक a(1,1)a \in \intoo{-1}1 के लिए त्रिज्या ss का 22-गोलक {a+su:u इकाई शुद्ध}\{a + su : u \text{ इकाई शुद्ध}\} हैं। Φ\Phi के अंतर्गत trΦ(q)=α+αˉ=2Req\operatorname{tr}\Phi(q) = \alpha + \bar\alpha = 2\operatorname{Re}q: अतः SU(2)SU(2) के वर्ग संचिह्न के स्तर समुच्चय हैं। प्रक्षेपण: यदि q=pqpˉq' = pq\bar p हो तो ρq=ρpρqρp1\rho_{q'} = \rho_p\rho_q\rho_p^{-1}; और विलोमतः ρq=ρpρqρp1=ρpqpˉ\rho_{q'} = \rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p} q=±pqpˉq' = \pm pq\bar p (अष्टि) अनिवार्य कर देता है, अतः Req=±Req\operatorname{Re}q' = \pm\operatorname{Re}q, अर्थात् [0,π]\intcc0\pi के कोणों के लिए cosθ2=Req=Req=cosθ2\cos\frac{\theta'}2 = \abs{\operatorname{Re}q'} = \abs{\operatorname{Re}q} = \cos\frac\theta2: अतः संयुग्म घूर्णनों के कोण बराबर होते हैं। विलोमतः बराबर कोण एक ही ऋणेतर वास्तविक भाग वाले प्रतिनिधियों की अनुमति देते हैं, जो ऊपर के अनुसार संयुग्म हैं: अर्थात् SO(3)SO(3) में किसी घूर्णन का संयुग्मन वर्ग ठीक उसका कोण है।

17. NN गुणनात्मक है, अतः \abs\cdot HR4\mathbb H \cong \R^4 पर कोई गुणनात्मक मानक है और qk=qk\abs{q^k} = \abs q^k: इसलिए श्रेणी qk/k!\sum q^k/k! परिमित-विमीय (अतः पूर्ण) समष्टि में निरपेक्ष रूप से अभिसरित होती है, जिस पर qk/k!=eq\sum\abs q^k/k! = \eu^{\abs q} का प्रभुत्व है। किसी इकाई शुद्ध uu के लिए: u2=1u^2 = -1, अतः (θu)2m=(1)mθ2m(\theta u)^{2m} = (-1)^m\theta^{2m} और (θu)2m+1=(1)mθ2m+1u(\theta u)^{2m+1} = (-1)^m\theta^{2m+1}u; और श्रेणी को विभाजित करने पर

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 .

कोई भी qS3q \in S^3 α[0,π]\alpha \in \intcc0\pi (प्रश्न 5) के साथ cosα+sinαu\cos\alpha + \sin\alpha\,u है: q=exp(αu)q = \exp(\alpha u), अतः exp(P)=S3\exp(P) = S^3। अंत में प्रश्न 9 के संकेतन में exp(su)=coss+sinsu=q(2s)\exp(su) = \cos s + \sin s\,u = q(2s), और वहाँ ρq(t)=etAu\rho_{q(t)} = \eu^{tA_u}: ρexp(su)=e2sAu\rho_{\exp(su)} = \eu^{2sA_u}

18. सारणी के साथ vwvw का निर्देशांकशः प्रसार करने पर: गुणनफल ii=1\mathrm i\cdot\mathrm i = -1, … अदिश (v1w1+v2w2+v3w3)-(v_1w_1 + v_2w_2 + v_3w_3) देते हैं, और मिश्रित गुणनफल (ij=k\mathrm{ij} = \mathrm k, ji=k\mathrm{ji} = -\mathrm k, …) सदिश (v2w3v3w2, v3w1v1w3, v1w2v2w1)(v_2w_3 - v_3w_2,\ v_3w_1 - v_1w_3,\ v_1w_2 - v_2w_1): अतः vw=v,w+vwvw = -\langle v, w\rangle + v\wedge w। उलटा गुणनफल घटाने पर: vwwv=2vwvw - wv = 2\,v\wedge w (अदिश भाग निरस्त हो जाते हैं, और तिर्यक गुणनफल जुड़ जाते हैं)। आव्यूहों के लिए, a(bc)=ba,cca,ba\wedge(b\wedge c) = b\langle a, c\rangle - c\langle a, b\rangle के साथ:

[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 .

अवकलज: exp(tv)=exp(tv)\overline{\exp(tv)} = \exp(-tv) (संयुग्मन संतत है और शुद्ध क्वाटर्नियनों को ऋणात्मक कर देता है), अतः

 ⁣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 :

अर्थात् अवकलज v2Avv \mapsto 2A_v है, जो PP से प्रतिसममित आव्यूहों पर कोई रैखिक एकैकी आच्छादन है, और [2Av,2Aw]=4Avw=2A2vw=2A[v,w][2A_v, 2A_w] = 4A_{v\wedge w} = 2A_{2v\wedge w} = 2A_{[v,w]} दिखा देता है कि वह क्वाटर्नियन क्रमविनिमेयक को आव्यूह क्रमविनिमेयक तक ले जाता है।

19. ρ\rho लगाने पर: 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}, अतः ε(t)kerρ={±1}\varepsilon(t) \in \ker\rho = \{\pm1\} (प्रश्न 4)। संतत प्रतिचित्रणों ts(R(t))t \mapsto s(R(t)) और tq(t)1=q(t)ˉt \mapsto q(t)^{-1} = \bar{q(t)} के गुणनफल के रूप में ε\varepsilon संबद्ध अंतराल [0,2π]\intcc0{2\pi} पर विविक्त युग्म {±1}\{\pm1\} में मान लेते हुए संतत है: अतः वह अचर है, कहिए ε(t)ε\varepsilon(t) \equiv \varepsilon। पर R(0)=R(2π)=IR(0) = R(2\pi) = I, अतः s(R(0))=s(R(2π))s(R(0)) = s(R(2\pi)), जबकि s(R(0))=εq(0)=εs(R(0)) = \varepsilon\,q(0) = \varepsilon और s(R(2π))=εq(2π)=εs(R(2\pi)) = \varepsilon\,q(2\pi) = -\varepsilon: विरोधाभास। कोई संतत अनुभाग विद्यमान नहीं: चिह्न अस्पष्टता ±q\pm q वैश्विक है, किसी विशेष सूत्र का दोष नहीं।

20. आच्छादक: प्रत्येक RSO(3)R \in SO(3) किसी इकाई uu और θ[0,2π]\theta \in \intcc0{2\pi} के लिए eθAu\eu^{\theta A_u} है (प्रश्न 6 और 8); और यदि θ>π\theta > \pi हो, तो रोद्रीग eθAu=e(2πθ)Au\eu^{\theta A_u} = \eu^{(2\pi - \theta)A_{-u}} देता है (दोनों I+sinθAu+(1cosθ)Au2I + \sin\theta A_u + (1 - \cos\theta)A_u^2 के बराबर, और sin(2πθ)=sinθ\sin(2\pi - \theta) = -\sin\theta, cos(2πθ)=cosθ\cos(2\pi - \theta) = \cos\theta के साथ Au=AuA_{-u} = -A_u), अतः vπ\norm v \leq \pi के साथ R=E(v)R = E(v)भीतर एकैकी: यदि v,v<π\norm v, \norm{v'} < \pi के साथ E(v)=E(v)IE(v) = E(v') \neq I हो, तो प्रश्न 13 संचिह्न से वही कोण θ=v=v(0,π)\theta = \norm v = \norm{v'} \in \intoo0\pi पुनः प्राप्त करता है, और चूँकि sinθ0\sin\theta \neq 0, प्रतिसममित भाग से वही अक्ष: v=vv = v'; और E(v)=IE(v) = I विवृत गोले पर θ{0}\theta \in \{0\} अनिवार्य कर देता है। परिसीमा: E(πu)=I+2Au2=2uuTIE(\pi u) = I + 2A_u^2 = 2uu^{\mathsf T} - I uu पर केवल uuTuu^{\mathsf T} के माध्यम से निर्भर करता है, जिससे E(πu)=E(πu)E(\pi u) = E(-\pi u); और विलोमतः uu पर लगाया गया 2uuTI=2uuTI2uu^{\mathsf T} - I = 2u'u'^{\mathsf T} - I u=u,uuu = \langle u', u\rangle u' देता है, अतः u=±uu' = \pm uअंतःभाग और परिसीमा कभी नहीं टकराते (संचिह्न >1> -1 बनाम =1= -1)। अतः EE प्रतिध्रुवीय-चिपकाने वाले गोले — जो संहत है — से SO(3)SO(3) पर कोई संतत एकैकी आच्छादन प्रेरित करता है: अर्थात् कोई समस्थितिकता, और SO(3)RP3SO(3) \cong \mathbb{RP}^3πu\pi u से πu-\pi u तक के किसी व्यास के अंत-बिंदु चिपके हुए हैं: अतः वह SO(3)SO(3) में कोई फंदा है, और उसका EE-वर्णन uu के परितः पूरा चक्कर लगाते घूर्णनों वाले प्रश्न 10 के कुल से मेल खाता है।

21. ρ\rho कोई समाकारिता है और ρp1=ρp1=ρpˉ\rho_p^{-1} = \rho_{p^{-1}} = \rho_{\bar p}, अतः ρpρqρp1=ρpqpˉ\rho_p\rho_q\rho_p^{-1} = \rho_{pq\bar p}; और प्रश्न 16 से किसी घूर्णन का संयुग्मन उसका कोण सुरक्षित रखता है तथा उसकी अक्ष को ρp\rho_p भर घुमा देता है। अंतर्वलन: ρq2=ρq2=id\rho_q^2 = \rho_{q^2} = \operatorname{id} तभी और केवल तभी जब q2=±1q^2 = \pm1। यदि q2=1q^2 = 1 हो, तो (q1)(q+1)=q21=0(q - 1)(q + 1) = q^2 - 1 = 0 (केंद्रीय अदिश, अतः यह गुणनखंडन वैध है) और विभाजन वलय H\mathbb H में q=±1q = \pm1, जिससे ρq=I\rho_q = I मिलता है, जो अपवर्जित है; और q=a+suq = a + su के साथ q2=1q^2 = -1 a2s2+2asu=1a^2 - s^2 + 2as\,u = -1 देता है, अतः a=0a = 0, s=1s = 1: इसलिए qq कोई इकाई शुद्ध ww है, और ρw\rho_w ww के परितः अर्ध-चक्कर है (कोण π\pi, प्रश्न 5)। केंद्र: यदि ρq\rho_q प्रत्येक ρp\rho_p के साथ क्रमविनिमेय हो, तो ρpqpˉ=ρq\rho_{pq\bar p} = \rho_q, अतः ε(p){±1}\varepsilon(p) \in \{\pm1\} के साथ pqpˉ=ε(p)qpq\bar p = \varepsilon(p)\,q; और pε(p)=(pqpˉ)q1p \mapsto \varepsilon(p) = (pq\bar p)q^{-1} संबद्ध S3S^3 पर संतत है तथा p=1p = 1 पर 11 के बराबर, अतः 1\equiv 1: इसलिए qq समूचे S3S^3 के साथ, और (पुनःमापन से) समूचे H\mathbb H के साथ क्रमविनिमेय है, अतः qRS3={±1}q \in \R \cap S^3 = \{\pm1\} (प्रश्न 1) और ρq=I\rho_q = I: अर्थात् केंद्र तुच्छ है।

22. चूँकि uwu \perp w इकाई शुद्ध हैं, अतः uw=uwuw = u\wedge w शुद्ध है (प्रश्न 18), इसलिए

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

शुद्ध है, जिसका मानक qw=1\abs q\abs w = 1 है। तब ww=qww=qw2=qw'w = qw\cdot w = qw^2 = -q, और

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

दोनों अक्ष ww और w=cosθ2w+sinθ2(uw)w' = \cos\frac\theta2 w + \sin\frac\theta2(u\wedge w) घूर्णन अक्ष पर लांबिक समतल uu^\perp में हैं, और w,w=cosθ2\langle w', w\rangle = \cos\frac\theta2: अतः वे अर्ध-कोण θ2\frac\theta2 बनाते हैं। यही शास्त्रीय जनन है: कोण θ2\frac\theta2 पर मिलती अक्षों के परितः दो अर्ध-चक्कर संयोजित होकर उनके उभयनिष्ठ लंब के परितः कोण θ\theta का घूर्णन बना देते हैं।

23. संहतता प्रश्न 7 है। पथ-संबद्धता: SO(3)=ρ(S3)SO(3) = \rho(S^3) पथ-संबद्ध गोलक का संतत प्रतिबिंब है; अथवा वैकल्पिक रूप से, प्रतिसममित AA (प्रश्न 8) के साथ R=eAR = \eu^{A} के लिए tetAt \mapsto \eu^{tA} SO(3)SO(3) में II से RR तक कोई पथ है (लांबिक क्योंकि (etA)T=etA(\eu^{tA})^{\mathsf T} = \eu^{-tA}, और t=0t = 0 से सांतत्य द्वारा सारणिक 11)। O(3)O(3) के लिए: det\det {±1}\{\pm1\} पर संतत आच्छादक है, अतः O(3)O(3) असंबद्ध है; और detD=1\det D = -1 वाले किसी भी स्थिर DD के लिए O(3)=SO(3)DSO(3)O(3) = SO(3) \sqcup D\,SO(3) (उदाहरणार्थ D=ID = -I), तथा DD से बायाँ गुणन कोई समस्थितिकता है: अतः ठीक दो घटक, प्रत्येक SO(3)SO(3) की एक प्रतिकृति। इस प्रकार दो-से-एक ρ\rho, जो प्रश्न 19 से अनुभाग-रहित है, सरल संबद्ध S3S^3 द्वारा किसी संबद्ध संहत समूह का ईमानदार द्विक आवरण है — अर्थात् पट्टी युक्ति के पीछे की ज्यामिति।

24. (क) आव्यूह:

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}.

संचिह्न 0=1+2cosθ0 = 1 + 2\cos\theta cosθ=12\cos\theta = -\frac12 देता है: θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3। प्रतिसममित भाग RRT2\frac{R - R^{\mathsf T}}2 की प्रविष्टियाँ अक्ष को sinθ(v3,v2,v1)\sin\theta\,(v_3, -v_2, v_1)-वार कूट रूप में रखती हैं: यहाँ 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), जो (भाग V का शब्दकोश AvA_v) vsinθ=12(1,1,1)v\sin\theta = \frac12(1, -1, 1) के रूप में पढ़ा जाता है; और sin2π3=32\sin\frac{2\pi}3 = \frac{\sqrt3}2 के साथ: v=13(1,1,1)v = \frac1{\sqrt3}(1, -1, 1)। (ख) क्वाटर्नियन: 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), और

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)। अतः cosθ2=12\cos\frac\theta2 = \frac12: θ=2π3\theta = \frac{2\pi}3, और सदिश भाग 12(ij+k)\frac12(i - j + k) की दिशा 13(1,1,1)\frac1{\sqrt3}(1, -1, 1) है — वही उत्तर, जिसमें क्वाटर्नियन मार्ग को किसी आव्यूह गुणनफल के बजाय एक पंक्ति के गुणन की आवश्यकता पड़ी: यही व्यावहारिक कारण है कि उड़ान सॉफ़्टवेयर अभिवृत्तियों का संयोजन S3S^3 में करता है।

25. I+KI + K व्युत्क्रमणीय: (I+K)v=0(I + K)v = 0 0=v,v+v,Kv=v20 = \langle v, v\rangle + \langle v, Kv\rangle = \norm v^2 दे देता है (प्रतिसममिति दूसरा पद मार देती है): v=0v = 0C=C(K)C = C(K) की लांबिकता: (I±K)T=IK(I \pm K)^{\mathsf T} = I \mp K का और इस तथ्य का उपयोग करते हुए कि चारों आव्यूह I±KI \pm K, (I±K)1(I \pm K)^{-1} क्रमविनिमेय हैं (KK में बहुपदीय व्यंजक, और साथ में सीमाएँ):

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 .

सारणिक: det(IK)=det((IK)T)=det(I+K)\det(I - K) = \det\bigl((I - K)^{\mathsf T}\bigr) = \det(I + K), अतः detC=1\det C = 1: CSO(n)C \in SO(n)। कोई अभिलक्षणिक मान 1-1 नहीं: Cv=vCv = -v का अर्थ है w=(I+K)1vw = (I + K)^{-1}v के लिए (IK)w=(I+K)w(I - K)w = -(I + K)w, अर्थात् 2w=02w = 0: v=0v = 0। प्रतिलोमन: C(I+K)=IKC(I + K) = I - K से K(I+C)=ICK(I + C) = I - C हल कीजिए; और चूँकि 1SpC-1 \notin \operatorname{Sp}C, अतः I+CI + C व्युत्क्रमणीय है तथा K=(IC)(I+C)1K = (I - C)(I + C)^{-1}, जो तब-तब प्रतिसममित होता है जब CC अभिलक्षणिक मान 1-1 के बिना लांबिक हो (व्यंजक का पक्षांतरण लीजिए और CT=C1C^{\mathsf T} = C^{-1} का उपयोग कीजिए: 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)। दोनों प्रतिचित्रण रचना से परस्पर प्रतिलोम हैं: अर्थात् SO(n)SO(n) के उस सघन विवृत टुकड़े का, जो अभिलक्षणिक मान 1-1 से बचता है, कोई वैश्विक परिमेय प्राचलन — न कोई श्रेणी, न त्रिकोणमिति; और विमा 33 में वह भेस बदला अर्ध-कोण प्रतिस्थापन K=tanθ2AvK = \tan\frac\theta2\,A_v ही है।