
这样就得到了一个群. 它可以被如下严格定义:
设 𝐺 是一个集合, 再定义一个二元运算 ◦, 如果满足以下条件, 那么 𝐺 就是一个群:
• 封闭性: ∀𝑎, 𝑏 ∈ 𝐺, 𝑎 ◦ 𝑏 ∈ 𝐺
• 单位元: ∃𝑒 ∈ 𝐺, ∀𝑎 ∈ 𝐺, 𝑎 ◦ 𝑒 = 𝑒 ◦ 𝑎 = 𝑎
• 逆元: ∀𝑎 ∈ 𝐺, ∃𝑏 ∈ 𝐺, 𝑎 ◦ 𝑏 = 𝑏 ◦ 𝑎 = 𝑒
• 结合律: ∀𝑎, 𝑏, 𝑐 ∈ 𝐺, 𝑎 ◦ (𝑏 ◦ 𝑐) = (𝑎 ◦ 𝑏) ◦ 𝑐
其中 ◦ 称为群乘法, 在上面的例子中, 它就是变换的复合. 对于某对象而言 (比如上面的正方形), 它在一
些变换下保持不变, 这些变换组成的集合就是一个群, 称为对称群. 对称群的群乘法就是变换的复合.
2 旋转变换群
2.1 SO(2) 群与 U(1) 群
旋转变换可以用矩阵描述. 如在二维平面上, 逆时针旋转 𝜃 的矩阵为
𝑅(𝜃) =
cos 𝜃 −sin 𝜃
sin 𝜃 cos 𝜃
!
下面可以一步步定义旋转群. 首先定义一个集合, 它包含所有的 2 × 2 矩阵. 这是一个线性变换群, 群乘法
即矩阵的乘法. 旋转矩阵应当是正交的, 这保证变换前后向量的长度不变, 这要求
𝑅(𝜃)𝑅(𝜃)
𝑇
= 𝐼
取出线性变换群中满足上式的所有二阶矩阵, 即得到了 𝑂 (2) 群, 其中的元素都描述了正交变换, 它们都
满足
𝑑𝑒𝑡 (𝑅) = ±1
二阶正交阵包含旋转和反射两种变换, 其中旋转变换的行列式为 1, 反射变换的行列式为 −1. 取出
𝑑𝑒𝑡 (𝑅) = 1
的所有矩阵, 即得到了 𝑆𝑂 (2) 群, 也就是描述二维平面旋转的群