Сплит-кватернион
× | 1 | я | дж | к |
---|---|---|---|---|
1 | 1 | я | дж | к |
я | я | −1 | к | -j |
дж | дж | -к | 1 | -я |
к | к | дж | я | 1 |
В абстрактной алгебре или разделенные кватернионы кокватернионы образуют алгебраическую структуру, введенную Джеймсом Коклом в 1849 году под последним названием. Они образуют ассоциативную алгебру размерности четыре над действительными числами .
После введения в 20 веке бескоординатных определений колец и алгебр что алгебра расщепленных кватернионов изоморфна кольцу вещественных было доказано , матриц ×2 2 . Таким образом, изучение расщепленных кватернионов можно свести к изучению реальных матриц, и это может объяснить, почему в математической литературе XX и XXI веков мало упоминаний о расщепленных кватернионах.
Определение
[ редактировать ]Сплит -кватернионы представляют собой линейные комбинации (с действительными коэффициентами) четырех базисных элементов 1, i, j, k, которые удовлетворяют следующим правилам произведения:
- я 2 = −1 ,
- дж 2 = 1 ,
- к 2 = 1 ,
- ij знак равно k знак равно -ji .
По ассоциативности эти отношения подразумевают
- jk = -i = -kj ,
- ки = j = −ik ,
а также ijk = 1 .
Итак, разделенные кватернионы образуют вещественное векторное пространство размерности четыре с {1, i, j, k} в качестве основы . Они также образуют некоммутативное кольцо , распространяя вышеуказанные правила произведения за счет дистрибутивности на все расщепленные кватернионы.
Рассмотрим квадратные матрицы
Они удовлетворяют той же таблице умножения, что и соответствующие расщепленные кватернионы. Поскольку эти матрицы образуют основу матриц два на два, уникальная линейная функция , которая отображает 1, i, j, k в (соответственно) индуцирует изоморфизм алгебры расщепленных кватернионов вещественным матрицам размером два на два.
Приведенные выше правила умножения подразумевают, что восемь элементов 1, i, j, k, −1, −i, −j, −k образуют группу при этом умножении, которая изоморфна группе диэдра D 4 , группе симметрии многогранника. квадрат . Фактически, если рассматривать квадрат, вершинами которого являются точки с координатами 0 или 1 , матрица это поворот по часовой стрелке на четверть оборота, - симметрия вокруг первой диагонали, а – симметрия вокруг оси x .
Характеристики
[ редактировать ]Подобно кватернионам, введенным Гамильтоном в 1843 году, они образуют четырехмерную вещественную ассоциативную алгебру . Но, как и реальная алгебра матриц 2×2 – и в отличие от реальной алгебры кватернионов – расщепленные кватернионы содержат нетривиальные делители нуля , нильпотентные элементы и идемпотенты . (Например, 1/2 i — идемпотентный (1 + j) делитель нуля, а − j нильпотентен.) Как алгебра над действительными числами , алгебра расщепленных кватернионов изоморфна алгебре вещественных матриц размера 2×2. по определенному выше изоморфизму.
Этот изоморфизм позволяет идентифицировать каждый разделенный кватернион с матрицей 2×2. Таким образом, каждому свойству разделенных кватернионов соответствует аналогичное свойство матриц, которое часто называют по-другому.
Сопряжение разделенного кватерниона q знак равно w + x i + y j + z k , q ∗ знак равно ш - Икс я - y j - z k . С точки зрения матриц, сопряженная матрица — это матрица-кофактор, полученная путем замены диагональных элементов и изменения знака двух других элементов.
Произведение разделенного кватерниона на сопряженный ему представляет собой изотропную квадратичную форму :
который называется нормой разделенного кватерниона или определителем ассоциированной матрицы.
Действительная часть расщепленного кватерниона q = w + x i + y j + z k равна w = ( q ∗ + q )/2 . Он равен следу связанной матрицы.
Норма произведения двух расщепленных кватернионов является произведением их норм. Эквивалентно, определитель произведения матриц является произведением их определителей. Это свойство означает, что расщепленные кватернионы образуют композиционную алгебру . Поскольку существуют ненулевые расщепленные кватернионы, имеющие нулевую норму, разделенные кватернионы образуют «расщепляемую композиционную алгебру» – отсюда и их название.
Сплит-кватернион с ненулевой нормой имеет мультипликативную инверсию , а именно q ∗ / Н ( q ) . С точки зрения матриц это эквивалентно правилу Крамера , которое утверждает, что матрица обратима тогда и только тогда, когда ее определитель отличен от нуля, и в этом случае обратная матрица представляет собой частное множителя матрицы по определителю.
Изоморфизм между расщепленными кватернионами и действительными матрицами 2 × 2 показывает, что мультипликативная группа расщепленных кватернионов с ненулевой нормой изоморфна и группа расщепленных кватернионов нормы 1 изоморфна
Геометрически разделенные кватернионы можно сравнить с кватернионами Гамильтона как пучками плоскостей . В обоих случаях действительные числа образуют ось карандаша. В кватернионах Гамильтона существует сфера мнимых единиц, и любая пара антиподальных мнимых единиц порождает комплексную плоскость с действительной линией. Для расщепленных кватернионов существуют гиперболоиды гиперболических и мнимых единиц, которые порождают расщепленно-комплексные или обычные комплексные плоскости, как описано ниже в § Стратификация .
Представление в виде комплексных матриц
[ редактировать ]Существует представление расщепленных кватернионов как единичной ассоциативной подалгебры матриц 2×2 с комплексными элементами. Это представление может быть определено гомоморфизмом алгебры , который отображает расщепленный кватернион w + x i + y j + z k в матрицу
Здесь i ( курсив ) — воображаемая единица , не путать с разделенным базисным элементом кватерниона i ( прямой римский ).
Образом этого гомоморфизма является кольцо матриц, образованное матрицами вида
где верхний индекс обозначает комплексно-сопряженное число .
Этот гомоморфизм отображает соответственно расщепленные кватернионы i, j, k на матрицы
Доказательство того, что это представление является гомоморфизмом алгебры, является простым, но требует некоторых скучных вычислений, которых можно избежать, начав с выражения расщепленных кватернионов в виде вещественных матриц 2 × 2 и используя подобие матриц . Пусть S — матрица
Тогда, применительно к представлению разделенных кватернионов в виде вещественных матриц размера 2 × 2 , вышеупомянутый гомоморфизм алгебры представляет собой подобие матриц.
Из этого почти сразу следует, что для разделенного кватерниона, представленного в виде комплексной матрицы, сопряженным является матрица кофакторов, а норма является определителем.
С представлением разделенных кватернионов в виде комплексных матриц. матрицы кватернионов нормы 1 являются в точности элементами специальной унитарной группы SU(1,1) . Это используется в гиперболической геометрии для описания гиперболических движений модели диска Пуанкаре . [ 1 ]
Генерация из расщепленных комплексных чисел
[ редактировать ]Сплит-кватернионы могут быть созданы с помощью модифицированной конструкции Кэли – Диксона. [ 2 ] аналогичен методу Л. Е. Диксона и Адриана Альберта . для тел алгебр C , H и O . Правило умножения используется при производстве удвоенного продукта в случаях реального разделения. Двойное сопряжение так что Если a и b — расщепленные комплексные числа и расщепленный кватернион
затем
Стратификация
[ редактировать ]В этом разделе изучаются и классифицируются реальные подалгебры, порожденные одним расщепленным кватернионом.
Пусть p = w + x i + y j + z k — расщепленный кватернион. Его действительная часть равна w = 1 / 2 ( р + р * ) . Пусть q = p – w = 1 / 2 ( р – р * ) быть его нереальной частью . У одного есть q * = – q , и, следовательно, Отсюда следует, что п 2 является действительным числом тогда и только тогда, когда p является либо действительным числом ( q = 0 и p = w ), либо чисто невещественным расщепленным кватернионом ( w = 0 и p = q ).
Структура подалгебры порожденный p, следует непосредственно. У одного есть
и это коммутативная алгебра . Ее размерность равна двум, за исключением случаев, когда p вещественно (в этом случае подалгебра просто ).
Нереальные элементы квадрат которого вещественный, имеют вид aq с
Необходимо рассмотреть три случая, которые подробно описаны в следующих подразделах.
Нильпотентный случай
[ редактировать ]С учетом приведенных выше обозначений, если (т. е. если q нильпотентно , ), то N ( q ) = 0 т. е. Это означает, что существуют w и t в такой, что 0 ⩽ t < 2 π и
Это параметризация всех расщепленных кватернионов, невещественная часть которых нильпотентна.
Это также параметризация этих подалгебр точками окружности: расщепленные кватернионы вида сформировать круг ; подалгебра, порожденная нильпотентным элементом, содержит ровно одну точку окружности; и окружность не содержит других точек.
Алгебра, порожденная нильпотентным элементом, изоморфна и в плоскость двойственных чисел .
Мнимые единицы
[ редактировать ]Это тот случай, когда N ( q ) > 0 . Сдача в аренду у одного есть
Отсюда следует, что 1 / n q принадлежит гиперболоиду двух листов уравнения Следовательно, существуют действительные числа n , t , u такие, что 0 ≤ t < 2 π и
Это параметризация всех расщепленных кватернионов, невещественная часть которых имеет положительную норму.
Это и есть параметризация соответствующих подалгебр парами противоположных точек двухлистного гиперболоида: расщепленные кватернионы вида сформировать гиперболоид из двух листов; подалгебра, порожденная расщепленным кватернионом с невещественной частью положительной нормы, содержит ровно две противоположные точки на этом гиперболоиде, по одной на каждом листе; и гиперболоид не содержит других точек.
Алгебра, порожденная расщепленным кватернионом с невещественной частью положительной нормы, изоморфна и в поле комплексных чисел .
Гиперболические единицы
[ редактировать ]Это тот случай, когда N ( q ) < 0 . Сдача в аренду у одного есть
Отсюда следует, что 1 / n q принадлежит гиперболоиду одного листа уравнения y 2 + я 2 − х 2 = 1 . Следовательно, существуют действительные числа n , t , u такие, что 0 ≤ t < 2 π и
Это параметризация всех расщепленных кватернионов, невещественная часть которых имеет отрицательную норму.
Это и есть параметризация соответствующих подалгебр парами противоположных точек однолистного гиперболоида: расщепленные кватернионы вида сформировать гиперболоид из одного листа; подалгебра, порожденная расщепленным кватернионом с невещественной частью отрицательной нормы, содержит ровно две противоположные точки на этом гиперболоиде; и гиперболоид не содержит других точек.
Алгебра, порожденная расщепленным кватернионом с невещественной частью отрицательной нормы, изоморфна и кольцу расщепленных комплексных чисел . Она также изоморфна (как алгебра) отображением, определенным
Стратификация по норме
[ редактировать ]Как видно выше, чисто невещественные расщепленные кватернионы нормы –1, 1 и 0 образуют соответственно однолистный гиперболоид, двухлистный гиперболоид и круговой конус в пространстве невещественных кватернионов.
Эти поверхности являются попарными асимптотами и не пересекаются. Их состав состоит из шести связанных регионов:
- две области, расположенные на вогнутой стороне гиперболоида из двух листов, где
- две области между двухлистным гиперболоидом и конусом, где
- область между конусом и однолистным гиперболоидом, где
- область вне гиперболоида одного листа, где
Эту стратификацию можно уточнить, рассматривая расщепленные кватернионы фиксированной нормы: для каждого действительного числа n ≠ 0 чисто невещественные расщепленные кватернионы нормы n образуют гиперболоид. Все эти гиперболоиды являются асимптотами указанного выше конуса, и ни одна из этих поверхностей не пересекается с другой. Поскольку набор чисто нереальных расщепленных кватернионов представляет собой непересекающееся объединение этих поверхностей, это обеспечивает желаемую стратификацию.
Цветовое пространство
[ редактировать ]Разделенные кватернионы были применены к цветовому балансу. [ 3 ] Модель относится к йордановой алгебре симметричных матриц, представляющих алгебру. Модель примиряет трихроматию с оппозицией Геринга и использует Кэли-Клейна модель гиперболической геометрии для хроматических расстояний.
Исторические заметки
[ редактировать ]Первоначально были введены кокватернионы (под этим названием). [ 4 ] в 1849 году Джеймсом Коклом Лондон-Эдинбург-Дублин в Философском журнале . Вступительные статьи Кокла были отозваны в Библиографии 1904 года. [ 5 ] Общества Кватернионов .
Александр Макфарлейн назвал структуру векторов расщепленных кватернионов эксферической системой, когда выступал на Международном конгрессе математиков в Париже в 1900 году. [ 6 ] Макфарлейн рассмотрел «гиперболоидный аналог сферического анализа» в статье 1910 года «Унификация и развитие принципов алгебры пространства» в Бюллетене Общества кватернионов . [ 7 ]
Единичная сфера была рассмотрена в 1910 году Гансом Беком. [ 8 ] Например, группа диэдра появляется на странице 419. Структура расщепленных кватернионов также кратко упоминалась в « Анналах математики» . [ 9 ] [ 10 ]
Синонимы
[ редактировать ]- Паракватернионы (Иванов и Замковой 2005, Мохаупт 2006) Многообразия с паракватернионными структурами изучаются в дифференциальной геометрии и теории струн . В паракватернионной литературе k заменяется на -k .
- Эксферическая система (Макфарлейн, 1900 г.)
- Сплит-кватернионы (Розенфельд, 1988) [ 11 ]
- Антикватернионы (Розенфельд, 1988)
- Псевдокватернионы (Яглом 1968). [ 12 ] Розенфельд 1988)
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Карзель, Хельмут и Гюнтер Кист (1985) «Кинематические алгебры и их геометрии», в журналах «Кольца и геометрия» , редакторы Р. Кайя, П. Плауманн и К. Страмбах, стр. 437–509, особенно 449,50, Д. Рейдель ISBN 90-277-2112-2
- ^ Кевин МакКриммон (2004) Вкус джордановой алгебры , страница 64, Universitext, Springer ISBN 0-387-95447-3 МР 2014924
- ^ Мишель Бертье, Николетта Пренсипи и Эдуардо Провенци (2023) Разделение кватернионов для перцепционного баланса белого @ HAL
- ^ Джеймс Кокл (1849), О системах алгебры, включающих более одного воображаемого , философский журнал (серия 3) 35: 434,5, ссылка из Библиотеки наследия биоразнообразия
- ^ А. Макфарлейн (1904) Библиография кватернионов и родственных систем математики , из Корнельского университета монографий по исторической математике , записи для Джеймса Кокла, стр. 17–18
- ^ А. Макфарлейн (1900) Применение пространственного анализа к криволинейным координатам. Архивировано 10 августа 2014 г. в Wayback Machine , Труды Международного конгресса математиков , Париж, стр. 306, Международный математический союз.
- ^ А. Макфарлейн (1910) «Объединение и развитие принципов алгебры пространства» через Интернет-архив.
- ^ Ганс Бек (1910) Дополнительная статья о геометрии круговых отношений Мебиуса , Труды Американского математического общества 11
- ^ AA Альберт (1942), «Квадратичные формы, допускающие композицию», Annals of Mathematics 43:161–77
- ^ Валентин Баргманн (1947), «Неприводимые унитарные представления группы Лоренца» , Annals of Mathematics 48: 568–640
- ^ Розенфельд, BA (1988) История неевклидовой геометрии , страница 389, Springer-Verlag ISBN 0-387-96458-4
- ^ Исаак Яглом (1968) Комплексные числа в геометрии , страница 24, Academic Press
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Броуди, Дордже К. и Ева-Мария Грефе . «О комплексной механике и кокватернионах». Журнал физики А: Математический и теоретический 44.7 (2011): 072001. дои : 10.1088/1751-8113/44/7/072001
- Иванов, Стефан; Замковой, Симеон (2005), «Параэрмитовые и паракватернионные многообразия», Дифференциальная геометрия и ее приложения 23 , стр. 205–234, arXiv : math.DG/0310415 , MR 2158044 .
- Мохаупт, Томас (2006), «Новые разработки в специальной геометрии», arXiv : hep-th/0602171 .
- Оздемир, М. (2009) «Корни разделенного кватерниона», Applied Mathematics Letters 22:258–63. [1]
- Оздемир, М. и А.А. Эргин (2006) «Вращения с времяподобными кватернионами в трехмерном пространстве Минковского», Журнал геометрии и физики 56: 322–36. [2]
- Погоруй, Анатолий и Рамон М. Родригес-Дагнино (2008) Некоторые алгебраические и аналитические свойства кокватернионной алгебры , Достижения в области прикладных алгебр Клиффорда .