【概念速通】李群 lie group


在这里插入图片描述

李群的概念能够使我们构造强大的规划、控制算法

快速示例介绍:

【引入】单位复数 (The unit complex numbers) 是李群 (lie group) 最简单的例子之一
  • 如下图所示的 z

【进一步】SO(2): The 2D rotation matrices
  • operator vs. vectors: 将产生旋转的主体和被旋转的元素分开,则得到下图 (李群为左图)

    • 左图:the elements that are able to transform other elements of another set (R is able to rotate x)
    • operator vs. vectors 不一定能绘制在一个图上,例如对于 S3 (The unit quaternions) 有下图
【Typical uses】SE(2): Pose of a robot in the plane
  • 将平面上的运动抽象为在球体上移动的点的运动
  • 进一步,更复杂的,例如机器人多关节在3维空间中的移动

Group & Lie Group 定义:

什么是 Group ?
  • Group Actions
什么是 Lie Group ? 【Continuous Transformation Groups】
  • Def: a group that is also a smooth manifold

Tangent space & 两种表示方式 (Lie Algebra 和 Cartesian 笛卡尔坐标系)

  • 后者 Cartesian 笛卡尔坐标系 更方便操作,更容易理解



【本篇为李群基本概念,后续会继续展开 …】

### 李群概念及其数学背景 李群是一种具有双重结构的对象,它既是光滑流形又是群,并且其群操作(乘法和求逆)是光滑映射。这种特殊的性质使得李群成为研究连续对称性的核心工具,在物理学、几何学以及代数等领域有着广泛的应用。 #### 定义与基本特性 李群 \( G \) 是一个拓扑空间上的群,其中任意两个元素之间的运算满足以下条件: - 群的二元运算 \( m : G \times G \to G \),定义为 \( m(g_1, g_2) = g_1g_2 \),是一个光滑映射。 - 取逆运算 \( i : G \to G \),定义为 \( i(g) = g^{-1} \),也是一个光滑映射[^3]。 这些属性表明李群不仅具备抽象代数中的群结构,还拥有微分流形的分析特征。因此,李群的研究涉及到了微分几何、线性代数等多个领域的内容。 #### 常见例子 一些典型的李群包括但不限于以下几个类别: - **一般线性群** (\( GL(n,\mathbb{R}) \)):由所有可逆\( n \times n \)实矩阵组成,带有标准矩阵乘法规则下的群结构。 - **特殊正交群** (\( SO(n) \)):表示三维欧几里得空间旋转的所有可能方式集合;即行列式等于1的正交方阵构成的子集[^4]。 对于上述提到的一般线性群而言,如果考虑的是复数域上的情形,则记作\( GL(n,\mathbb{C})\) ,同样保持了作为李群的身份。 #### 应用场景 由于能够描述各种形式的空间变换规律,所以李群被频繁应用于理论物理当中用来刻画自然界的守恒定律。例如过诺特定理我们知道每一种连续对称对应于某条具体的物理量保护原则——这正是基于李群理论得出的重要结论之一。 ```cpp // Example code demonstrating matrix operations relevant to Lie groups. #include <iostream> using namespace std; int main() { double mat[2][2] = {{1, 0}, {0, 1}}; // Identity Matrix cout << "Identity Matrix:" << endl; for(int i=0;i<2;i++) { for(int j=0;j<2;j++) cout<<mat[i][j]<<" "; cout<<endl; } return 0; } ``` 此段简单程序展示了单位矩阵这一基础概念,而更复杂的李群分解算法往往依赖于此类初等构建单元进一步发展而来。
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