直交群と回転群|O(n) と SO(n) の定義から、Euler の回転定理と正多面体まで
の標準内積を保つ線型変換の全体を、 次直交群 といいます。
条件 は、 の列が正規直交基底をなすことと同じ。行列式が のものだけを集めると、回転の全体 になる。
長さを保つことと同じ
内積を保つことと、長さを保つことは同じ条件です。長さから内積を で復元できるから。
だから、原点を動かさず距離も変えない線型写像を集めれば、それが になる。
が、すべての と で成り立つ。
がすべての で成り立つ。内積の条件と同値である。
と書ける。列ベクトルが長さ で、たがいに直交する。
どれか 1 つを確かめれば、残りも自動的に付いてくる。
例:2 次の直交行列を書き下す
で条件を解いてみます。1 列目を とおけば、長さ の条件は自動的に満たされる。
2 列目はこれと直交して長さ なので、 か の 2 通りしかありません。
前者が行列式 の回転、後者が行列式 の鏡映。 はこの 2 系列だけでできている。
行列式は 1 か -1 になる
の両辺の行列式をとります。
だから は か に限られる。逆行列も簡単で、 になる。
行列式が でないので、 は の部分群。
特殊直交群と 2 つの連結成分
行列式 の元だけを集めた は、行列式という準同型の核です。だから正規部分群で、指数は になる。
位相の側から見ると、 は連結成分をちょうど 2 つ持つ。 が単位元を含むほうの成分で、もう一方は群になりません。
向きを保つ。回転にあたり、 をなす
向きを変える。鏡映を含み、それだけでは群にならない
はコンパクトになる。列が単位ベクトルなので成分が 以下に収まり、しかも閉集合だからです。
SO(2) は円周
の元は角度 1 つで決まります。
掛け算は角度の足し算になり、 が成り立つ。

だから は円周 と同型で、可換群です。 と書いても同じもの。
O(2) は半直積
には、鏡映が加わります。鏡映を 1 つ選んで とすると、 の元は か の形に書ける。
しかも になる。鏡に映すと回転の向きがひっくり返る、という関係です。
だから という半直積。直積にはならない。
鏡映で生成される
の元は、鏡映だけで作れます。しかも高々 個で足りる。
これが Cartan-Dieudonné の定理です。 なら、鏡映 2 つの積が回転になる。
2 枚の鏡のなす角を にすると、合成は の回転になる。 の元は偶数個の鏡映の積で、 が の偶数乗として になる。
Euler の回転定理
3 次元の回転は、かならず軸を持ちます。 が固有値 を持つ、という主張。
証明は行列式の計算だけで済む。 から と書けます。
行列式をとると、 なので次のようになる。
最後の等号は と、 が奇数であることから出ます。あわせて 。
固有値 の固有ベクトルが、そのまま回転軸になる。

奇数次元であることと の両方が効いています。 の回転には軸がなく、 でも同じ議論は通らない。
例:回転行列から軸と角を出す
を へ、 を へ、 を へ送る行列をとります。
行列式は で、たしかに の元。 を解くと が出る。
角は跡から出ます。軸のまわりの の回転は、適当な基底で と 次の回転ブロックに分かれるので、跡が になる。
なので は 度です。立方体を対角線のまわりに 度まわす操作が、ちょうどこれにあたる。
の元 の跡が のとき、回転角はいくつですか。
- 30 度
- 60 度
- 90 度
- 120 度
SO(3) の位相と 2 重被覆
回転は、軸の向きと角で指定できます。半径 の球体の点にその 2 つを詰め込むと、表面の対蹠点どうしが同じ回転を表す。
だから は 3 次元実射影空間と同相です。連結ではあるものの、単連結ではない。
基本群は位数 の群になります。単位四元数のなす から への 2 対 1 の全射があり、これが普遍被覆にあたる。
行列式が の直交変換を 回反 といいます。回転と鏡映を合わせたもので、集めても群にはならない。
回転のあとに、その軸と垂直な面で折り返す変換のこと。
SO(3) の有限部分群
の有限部分群は、5 系統に分かれます。
| 群 | 位数 | 対応する立体 |
|---|---|---|
| 角錐 | ||
| 角柱 | ||
| 12 | 正四面体 | |
| 24 | 立方体と正八面体 | |
| 60 | 正十二面体と正二十面体 |
巡回群と二面体群の 2 系統が無限にあり、あとは正多面体の回転群が 3 つ。双対な立体は回転群が同じなので、5 種類の正多面体に対して 3 つの群しか現れません。
のほうは事情が違う。鏡映が入るぶん系統が増え、点群として 14 系統に分かれます。
リー環は反対称行列
単位元の近くを見ると、 の形に書けます。 に入れて の 1 次までを残すと、 が出る。
反対称行列の全体が のリー環です。対角成分は に決まり、上三角の 個だけが自由に動く。
だから次元は で、 なら になる。軸の向きに 2 つ、角に 1 つという内訳と合う。










跡は 1+2cosθ です。2=1+2cosθ から cosθ=1/2 となり、θ は 60 度になります。