QS kirjoitti: ↑10 Marras 2024, 19:38Disputator kirjoitti: ↑09 Marras 2024, 17:50Itse tosiaan olen uponnut aika syvälle tuohon puolisuoran tulon suohon ja aihe on mielenkiintoinen matemaattisestikin, mutta erityisesti siksi, että se esiintyy niin monessa geometrisessä tai fysikaalisessa tilanteessa, esimerkiksi Poincare-ryhmä, Galilei-ryhmä ym.. Ihan tasogeometrian esimerkkinä: \(O(2)= SO(2)\rtimes \{1,-1\} \), epätriviaalisti.
Jotain hajanaisia huomioita alla puolisuorasta tulosta, palaan aiheeseen tarkemmin esimerkkien kanssa, jotka ovat relevantteja tähän keissiin.
Puolisuora tulo ei ole kuitenkaan mitenkään aina yksikäsitteisesti määritelty, siis jos on annettuna kaksi ryhmää \(N\) ja \(H\), niin niille voidaan muodostaa (mahdollisesti) usealla eri tavalla puolisuora tulona uusi ryhmä \(G=N\rtimes H\), yksi niistä on tuloryhmä\(N\times H\). Eri tavoin muodostettu puolisuora tulo tuottaa mahdollisesti erilaisia (ei-isomorfisia) ryhmiä \(N\rtimes H\).
Eri tavoin tarkoittaa formaalisti seuraavaa: määritellään joku ryhmähomomorfismi \(\psi\) ryhmältä \(H\) ryhmään \(Aut(N)\), missä \(Aut(N)\) on ryhmän \(N\) bijektiivisten homomorfismien joukko, joka on myös ryhmä ja määritellään tämän \(\psi\)-kuvauksen avulla tietyllä tavalla puolisuora tulo\(N\rtimes_{\psi} H\). Tuo \(\psi\) tuossa koodaa sen puolisuoran tulon riippuvuuden kuvauksesta \(\psi\).
Toinen tilanne on, se että jos on annettuna valmiiksi ryhmä G (esimerkiksi \(U(2)\)), niin voinko esittää se puolisuorana tulona joistain G:n aliryhmistä \(N\) ja \(H\), esimerkiksi \(N=SU(2)\) ja \(H= U(1)\).
Tässä tulee vastaan probleemana se että miten \(U(2)\)-keississä, että millä tavalla tuo \(U(1)\) on "upotettu" \(U(2)\):n sisään. Koska \(U(2)\) on 2x2-matriisiryhmä, niin \(U(1)\) on myös 2x2-matriisiryhmä, mutta mikä matriisiryhmä se oikeastaan on? \(U(1)\)-ryhmä voidaan "sijoittaa" \(U(2)\):n sisälle monella eri tavalla ja miten se sitten vaikuttaa mahdolliseen \(U(2)\):n esitykseen puolisuorana tulona?
Tämä ryhmän \(U(1)\) sijoittelu ryhmän \(U(2)\) sisään jossain määrin vastaa likimääräisesti edellisen kohdan kuvauksen \(\psi\) valintaa, eli miten \(U(1)\) sijoitetaan \(U(2)\):n sisään, saadaan mahdollisesti erilaisia puolisuoria tuloja. Tätä pitää kyllä selvitellä vielä.
Tähän littyy paljon pedanttista matematiikkaa ja en ole vielä selvillä monista nyansseista, mutta palaan tähän mielellään, koska aihe on niin kiinnostava. Menee kyllä ensi viikonloppuun, kun on aikaa kirjoitella tästä aiheesta tarkemmin.Mulla ei ole yhtään kirjaa, joka käsittelisi puolisuoraa tuloa. Yksittäisiä esimerkkejä vain löytyy, kuten Poincare-ryhmä. Tarkoittaa sitä, että olen Wikipedian varassa, mikä ei ole välttämättä hyvä asia.
Mutta lämmittelen tuon \(O(2)= SO(2)\rtimes \{1,-1\}\) avulla. Tässä voi merkitä \(G = O(2)\), \(N=SO(2)\) ja
\(H=
\bigg\{ \begin{pmatrix}
1 & 0 \\
0 & 1
\end{pmatrix},
\begin{pmatrix}
1 & 0 \\
0 & -1
\end{pmatrix}
\bigg\}\)
\(N\) on ryhmän \(G\) normaali aliryhmä \(N \triangleleft G\), sillä kaikille \(g \in G\) ja \(n \in N\) pätee \(gng^{-1} \in N\). Ryhmä \(H\) on \(G\):n aliryhmä, jonka toteamiseen kai riittää, että \(H\) on ryhmä ja sille pätee \(O(2)\):n määritelmä \(hh^T = h^Th = I\).
Kyseessä on puolisuora tulo, kun neutraalialkion \(e\) sisältävä ryhmä \(G\) on aliryhmiensä tulo siten, että
\(G=NH=\{nh: n\in N, h\in H\}\),
missä lisäksi \(N \cap H = \{e\}\), eli ainoa yhteinen alkio on neutraalialkio. Näiden perusteella tosiaankin \(O(2)= SO(2)\rtimes \{1,-1\}\).
Koetan ymmärtää \(U(2)\):n ihan kokeilemalla, koska aihe on mulle sumuinen. Kyseessä on siis puolisuora tulo \(U(2)=SU(2) \rtimes U(1)\).
Merkitään \(G=U(2)\), \(N=SU(2)\) ja \(H=U(1)\), jotta muistan nuo vastaavat G,N ja H edelliseen esimerkkiin vertaamalla. Matriisit \(n\in SU(2)\) ovat
\(n := \left \{ \begin{pmatrix}
a & b\\
-\bar b & \bar a
\end{pmatrix}\ \bigg|\ a,b \in \mathbb{C},\ |a|^2+|b|^2=1 \right \}\)
Jossain lähteessä mainittiin \(SU(2) \triangleleft U(2)\), jota en itse todennut, mutta uskon, että näin on, joten \(N \triangleleft G\).
Seuraavaksi pitää muodostaa ryhmän \(H=U(1)\) matriisiesitys \(\Pi:U(1)\to \text{Mat}(2,\mathbb{C})\). Näitä esityksiä on useita, ja voin valita esimerkiksi
\(h_1 := \left \{ \begin{pmatrix}
e^{i\theta} & 0\\
0 & e^{i\theta}
\end{pmatrix},\ \theta\in\mathbb{R} \right\}\)
tai
\(h_2 := \left \{ \begin{pmatrix}
e^{i\theta} & 0\\
0 & e^{-i\theta}
\end{pmatrix},\ \theta\in\mathbb{R} \right\}\)
Aliryhmien tulo matriiseja \(h_1\) käyttämällä on
\(g_1=nh_1 = \left \{ \begin{pmatrix}
ae^{i\theta} & be^{i\theta}\\
-\bar be^{i\theta} & \bar ae^{i\theta}
\end{pmatrix} \right \}\)
Aliryhmien tulo matriiseja \(h_2\) käyttämällä on
\(g_2=nh_2 = \left \{ \begin{pmatrix}
ae^{-i\theta} & be^{i\theta}\\
-\bar be^{-i\theta} & \bar ae^{i\theta}
\end{pmatrix} \right \}\)
Jos oikein laskin, niin molemmat \(g_1\) ja \(g_2\) ovat unitaariset, joten \(g_1,g_2 \in U(2)\). Pitää vielä tarkistaa, että \(N \cap H = \{e\}\).
Ryhmän \(SU(2)\) diagonaalimatriisit ovat muotoa \(\text{diag}(a,\bar a)\), missä \(|a|^2=1\). Nämä ja \(h_1\in U(1)\) ovat samat vain neutraalialkion \(e=\text{diag}(1,1)\) kohdalla.
Mutta mielestäni matriisit \(h_2 \in U(1)\) ja diagonaaliset \(SU(2)\)-matriisit ovat samoja muuallakin kuin neutraalialkion kohdalla. Matriisien muodosta mielestäni voi jo päätellä, että \(\{h_2\}\) on \(SU(2)\):n aliryhmä, mutta edellinen \(\{h_1\}\) ei ole.
Tämän seurauksena matriisien \(h_2\) tapauksessa kyseessä ei olisi puolisuora tulo, sillä \(N \cap H \neq \{e\}\). Vaikuttaa siltä, että ryhmän \(U(1)\) homomorfismeille oltava jotain rajoituksia, joiden voimassa ollessa \(U(2)=SU(2) \rtimes U(1)\) ?
Voi toki olla, että laskin väärin, tai jäi joku asia huomaamatta.
Vaikutin on siis vaihemultiplikaatio, eli jokainen \( SU(2) \):n alkio kerrotaan \( U(1) \):n vaiheella \( e^{i\theta} \). Tämä tarkoittaa, että jokaiselle \( e^{i\theta} \in U(1) \) ja \( M \in SU(2) \) yhdistämme:
\[
(e^{i\theta}, M) \mapsto e^{i\theta} M.
\]
Näin muodostuva rakenne säilyttää \( SU(2) \) osaryhmän rakenteen modulo \( U(1) \) vaiheen, joten voimme ajatella rakenteen puolisuorana tulona.