Jump to content

Сплит-кватернион

(Перенаправлено из Сплит-кватерниона )
Умножение разделенных кватернионов
× 1 я дж к
1 1 я дж к
я я −1 к -j
дж дж 1
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 ]
Гиперболоид двух листов, источник мнимых единиц

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 ]
Гиперболоид одного листа, источник гиперболических единиц .
называется x ) (вертикальная ось в статье

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 ]
  1. ^ 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
  2. ^ Кевин МакКриммон (2004) Вкус джордановой алгебры , страница 64, Universitext, Springer ISBN   0-387-95447-3 МР 2014924
  3. ^ Мишель Бертье, Николетта Пренсипи и Эдуардо Провенци (2023) Разделение кватернионов для перцепционного баланса белого @ HAL
  4. ^ Джеймс Кокл (1849), О системах алгебры, включающих более одного воображаемого , философский журнал (серия 3) 35: 434,5, ссылка из Библиотеки наследия биоразнообразия
  5. ^ А. Макфарлейн (1904) Библиография кватернионов и родственных систем математики , из Корнельского университета монографий по исторической математике , записи для Джеймса Кокла, стр. 17–18
  6. ^ 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.
  7. ^ А. Макфарлейн (1910) «Объединение и развитие принципов алгебры пространства» через Интернет-архив.
  8. ^ Ганс Бек (1910) Дополнительная статья о геометрии круговых отношений Мебиуса , Труды Американского математического общества 11
  9. ^ AA Альберт (1942), «Квадратичные формы, допускающие композицию», Annals of Mathematics 43:161–77
  10. ^ Валентин Баргманн (1947), «Неприводимые унитарные представления группы Лоренца» , Annals of Mathematics 48: 568–640
  11. ^ Розенфельд, BA (1988) История неевклидовой геометрии , страница 389, Springer-Verlag ISBN   0-387-96458-4
  12. ^ Исаак Яглом (1968) Комплексные числа в геометрии , страница 24, Academic Press

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 03706ac8f764bb3859aaec217fb02b73__1699051980
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/03/73/03706ac8f764bb3859aaec217fb02b73.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Split-quaternion - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)