Jump to content

Алгебра Клиффорда

(Перенаправлено из алгебр Клиффорда )

В математике алгебра Клиффорда [а] алгебра, порожденная векторным пространством квадратичной формы , и с единицей ассоциативная алгебра с дополнительной структурой выделенного подпространства. Как K -алгебры , они обобщают действительные числа , комплексные числа , кватернионы и некоторые другие гиперкомплексные системы счисления. [1] [2] Теория алгебр Клиффорда тесно связана с теорией квадратичных форм и ортогональных преобразований . Алгебры Клиффорда имеют важные приложения в различных областях, включая геометрию , теоретическую физику и цифровую обработку изображений . Они названы в честь английского математика Уильяма Кингдона Клиффорда (1845–1879).

Наиболее известные алгебры Клиффорда, ортогональные алгебры Клиффорда , также называются ( псевдо ) римановыми алгебрами Клиффорда , в отличие от симплектических алгебр Клиффорда . [б]

Введение и основные свойства

[ редактировать ]

Алгебра Клиффорда — это с единицей ассоциативная алгебра которая содержит и порождается векторным пространством V над полем K , где V снабжено квадратичной формой Q : V K. , Алгебра Клиффорда Cl( V , Q ) является «самой свободной» унитарной ассоциативной алгеброй, порожденной V, подчиняющейся условию [с] где произведение слева — это произведение алгебры, а 1 — ее мультипликативная единица . Идея быть «самой свободной» или «наиболее общей» алгеброй, подчиняющейся этому тождеству, может быть формально выражена через понятие универсального свойства , как это сделано ниже .

Когда V — конечномерное вещественное векторное пространство и , Cl Q невырождено ( V , Q ) может быть идентифицирован меткой Cl p , q ( R ) , указывающей, что V имеет ортогональный базис с p элементами с e i 2 = +1 , q с e i 2 = −1 , и где R указывает, что это алгебра Клиффорда над действительными числами; т.е. коэффициенты элементов алгебры являются действительными числами. Этот базис можно найти путем ортогональной диагонализации .

порожденную Свободную алгебру, V , можно записать как тензорную алгебру n ≥0 V ⊗ ⋯ ⊗ V , то есть прямую сумму тензорного произведения n копий V по всем n . Следовательно, алгебру Клиффорда можно получить как фактор этой тензорной алгебры по двустороннему идеалу , порожденному элементами вида v v Q ( v )1 для всех элементов v V . Произведение, индуцированное тензорным произведением в факторалгебре, записывается с использованием сопоставления (например, uv ). Его ассоциативность следует из ассоциативности тензорного произведения.

Алгебра Клиффорда имеет выделенное подпространство   V , являющееся образом отображения вложения . Такое подпространство, вообще говоря, не может быть определено однозначно, если только K -алгебра изоморфна алгебре Клиффорда.

Если 2 обратимо виде в основном поле K , то фундаментальное тождество, приведенное выше, можно переписать в где симметричная билинейная форма , связанная с Q через тождество поляризации .

Квадратичные формы и алгебры Клиффорда в характеристике 2 представляют в этом отношении исключительный случай. В частности, если char( K ) = 2, неверно, что квадратичная форма обязательно или однозначно определяет симметричную билинейную форму, которая удовлетворяет условиям Q ( v ) = v , v , [3] Многие утверждения в этой статье включают условие, что характеристика не равна 2 , и являются ложными, если это условие удалено.

Как квантование внешней алгебры

[ редактировать ]

Алгебры Клиффорда тесно связаны с внешними алгебрами . Действительно, если Q = 0 то алгебра Клиффорда Cl( V , Q ) — это просто внешняя алгебра V. , Всякий раз, когда 2 обратимо в основном поле K , существует канонический линейный изоморфизм между V и Cl( V , Q ) . То есть они естественно изоморфны как векторные пространства, но с разными умножениями (в случае характеристики два они все еще изоморфны как векторные пространства, но не естественным образом). Умножение Клиффорда вместе с выделенным подпространством строго богаче, чем внешнее произведение , поскольку оно использует дополнительную информацию, предоставляемую Q .

Алгебра Клиффорда является фильтрованной алгеброй ; соответствующая градуированная алгебра является внешней алгеброй.

Точнее, алгебры Клиффорда можно рассматривать как квантования (ср. квантовую группу ) внешней алгебры, точно так же, как алгебра Вейля является квантованием симметричной алгебры .

Алгебры Вейля и алгебры Клиффорда допускают дополнительную структуру *-алгебры и могут быть объединены как четные и нечетные члены супералгебры , как обсуждалось в CCR и CAR-алгебрах .

Универсальная недвижимость и строительство

[ редактировать ]

Пусть V векторное пространство над полем   K , и пусть Q : V K форма на V. квадратичная В большинстве представляющих интерес случаев поле K является либо полем действительных чисел   R , либо полем комплексных чисел   C , либо конечным полем .

Алгебра Клиффорда Cl( V , Q ) — это пара ( B , i ) , [д] [4] где B с единицей ассоциативная алгебра над K , а i линейное отображение i : V B, удовлетворяющее условиям i ( v ) 2 = Q ( v )1 B для всех v в V , определенный следующим универсальным свойством : дана любая ассоциативная алгебра с единицей A над K и любое линейное отображение j : V A такое, что (где 1 A обозначает мультипликативное тождество A ), существует единственный гомоморфизм алгебр f : B A такой, что следующая диаграмма коммутирует (т. е. такой, что f i = j ):

Квадратичная форма Q может быть заменена (не обязательно симметричной [5] ) билинейная форма ⟨⋅,⋅⟩ , обладающая свойством v , v = Q ( v ), v V , и в этом случае эквивалентным требованием к j является

Если характеристика поля не равна 2 , это может быть заменено эквивалентным требованием: где билинейная форма может быть дополнительно ограничена симметричностью без потери общности.

Алгебра Клиффорда, описанная выше, всегда существует и может быть построена следующим образом: начните с наиболее общей алгебры, содержащей V , а именно с тензорной алгебры T ( V ) , а затем обеспечьте фундаментальное тождество, взяв подходящее частное . В нашем случае мы хотим взять двусторонний идеал I Q в T ( V ), порожденный всеми элементами вида для всех и определим Cl( V , Q ) как факторалгебру

Кольцевое произведение , унаследованное этим фактором, иногда называют произведением Клиффорда. [6] чтобы отличить его от внешнего произведения и скалярного произведения.

Тогда несложно показать, что Cl( V , Q ) содержит V и удовлетворяет указанному выше универсальному свойству, так что Cl уникален с точностью до единственного изоморфизма; таким образом, говорят об «алгебре Клиффорда Cl( V , Q ) . Из этой конструкции также следует, i инъективно что . Обычно отбрасывают i и рассматривают V как линейное подпространство Cl ( V , Q ) .

Универсальная характеризация алгебры Клиффорда показывает, что конструкция Cl( V , Q ) носит функториальный характер. А именно, Cl можно рассматривать как функтор из категории векторных пространств с квадратичными формами ( морфизмы которых представляют собой линейные отображения, сохраняющие квадратичную форму) в категорию ассоциативных алгебр. Свойство универсальности гарантирует, что линейные отображения между векторными пространствами (которые сохраняют квадратичную форму) однозначно продолжаются до гомоморфизмов алгебр между ассоциированными алгебрами Клиффорда.

Основа и размерность

[ редактировать ]

Поскольку V снабжен квадратичной формой Q отличной от 2 существуют базы для V. ортогональные , в характеристике , , Ортогональный базис — это такой базис, что для симметричной билинейной формы для , и

Фундаментальное тождество Клиффорда означает, что для ортогонального базиса для , и

Это делает манипуляции с ортогональными базисными векторами довольно простыми. Учитывая продукт различных можно привести их в стандартный порядок, включая общий знак , ортогональных базисных векторов V определяемый количеством парных замен, необходимых для этого (т. е. сигнатуру порядка перестановки ).

Если размерность V ( над K равна n и { e1 K ,..., e n } ортогональным базисом V , Q ) , то Cl( V , Q ) свободен над является с базисом

Пустой продукт ( k = 0 ) определяется как мультипликативный единичный элемент . Для каждого значения k существует n выбора k базисных элементов, поэтому общая размерность алгебры Клиффорда равна

Примеры: вещественные и комплексные алгебры Клиффорда.

[ редактировать ]

Наиболее важными алгебрами Клиффорда являются алгебры над вещественными и комплексными векторными пространствами, снабженными невырожденными квадратичными формами .

Каждая из алгебр Cl p , q ( R ) и Cl n ( C ) изоморфна A или A A , где A полное матричное кольцо с элементами из R , C или H . Полную классификацию этих алгебр см. в разделе «Классификация алгебр Клиффорда» .

Реальные числа

[ редактировать ]

Алгебры Клиффорда также иногда называют геометрическими алгебрами , чаще всего над действительными числами.

Каждая невырожденная квадратичная форма в конечномерном вещественном векторном пространстве эквивалентна стандартной диагональной форме: где n = p + q — размерность векторного пространства. Пара целых чисел ( p , q ) называется сигнатурой квадратичной формы. Действительное векторное пространство с этой квадратичной формой часто обозначается R п , д . Алгебра Клиффорда на R п , д обозначается Cl p , q ( R ). Символ Cl n ( R ) означает либо Cl n ,0 ( R ) , либо Cl 0, n ( R ) , в зависимости от того, предпочитает ли автор положительно определенные или отрицательно определенные пространства.

Стандартный базис { e 1 ..., en } R для , п , д состоит из n = p + q взаимно ортогональных векторов, p из которых квадрат к +1 и q из которых квадрат к −1 . Следовательно , из такого базиса алгебра Cl p , q ( R ) будет иметь p векторов, которые возводятся в квадрат +1 , и q векторов, которые возводятся в квадрат -1 .

Вот несколько случаев низкой размерности:

  • Cl 0,0 ( R ) естественно изоморфен R , поскольку не существует ненулевых векторов.
  • Cl 0,1 ( R ) — двумерная алгебра, порожденная e 1 , которая приводится в квадрат к −1 и алгебраически изоморфна C , полю комплексных чисел .
  • Cl 0,2 ( R ) — четырехмерная алгебра, натянутая на {1, e 1 , e 2 , e 1 e 2 } . Последние три элемента квадратичны к −1 и антикоммутируют, поэтому алгебра изоморфна кватернионам   H .
  • Cl 0,3 ( R ) — 8-мерная алгебра, изоморфная прямой сумме H H , расщепленным бикватернионам .

Комплексные числа

[ редактировать ]

Можно также изучать алгебры Клиффорда на комплексных векторных пространствах. Любая невырожденная квадратичная форма в комплексном векторном пространстве размерности n эквивалентна стандартной диагональной форме Таким образом, для каждой размерности n с точностью до изоморфизма существует только одна алгебра Клиффорда комплексного векторного пространства с невырожденной квадратичной формой. Обозначим алгебру Клиффорда на C н со стандартной квадратичной формой по Cl n ( C ) .

Для первых нескольких случаев обнаруживается, что

где M n ( C ) обозначает алгебру матриц размера n × n над C .

Примеры: построение кватернионов и двойственных кватернионов.

[ редактировать ]

Кватернионы

[ редактировать ]

Гамильтона В этом разделе кватернионы строятся как четная подалгебра алгебры Клиффорда Cl 3,0 ( R ) .

Пусть векторное пространство V — вещественное трехмерное пространство R 3 , а квадратичная форма — обычная квадратичная форма. Тогда для v , w в R 3 у нас есть билинейная форма (или скалярное произведение) Теперь введем произведение Клиффорда векторов v и w, заданное формулой

Обозначим набор ортогональных единичных векторов R 3 как { e 1 , e 2 , e 3 } , то произведение Клиффорда дает соотношения и Общий элемент алгебры Клиффорда Cl 3,0 ( R ) определяется выражением

Линейная комбинация элементов четной степени из Cl 3,0 ( R ) определяет четную подалгебру Cl [0]
3,0
( R )
с общим элементом Базисные элементы можно отождествить с базисными элементами кватернионов i , j , k как которое показывает, что четная подалгебра Cl [0]
3,0
( R )
Гамильтона — вещественная алгебра кватернионов .

Чтобы увидеть это, вычислите и Окончательно,

Двойные кватернионы

[ редактировать ]

В этом разделе двойственные кватернионы строятся как четная подалгебра алгебры Клиффорда вещественного четырехмерного пространства с вырожденной квадратичной формой. [7] [8]

Пусть векторное пространство V — вещественное четырехмерное пространство R 4 и пусть квадратичная форма Q — вырожденная форма, полученная из евклидовой метрики на R 3 . Для v , w в R 4 ввести вырожденную билинейную форму Это вырожденное скалярное произведение проецирует измерения расстояний в R. 4 на R 3 гиперплоскость.

Произведение Клиффорда векторов v и w определяется выражением Обратите внимание, что отрицательный знак введен для упрощения соответствия с кватернионами.

Обозначим набор взаимно ортогональных единичных векторов R 4 как { e1 произведение Клиффорда , e2 дает , e3 } , e4 то , соотношения и

Общий элемент алгебры Клиффорда Cl( R 4 , d ) имеет 16 компонент. Линейная комбинация элементов четной степени определяет четную подалгебру Cl [0] ( Р 4 , d ) с общим элементом

Базисные элементы можно отождествить с базисными элементами кватернионов i , j , k и двойственной единицей ε как Это обеспечивает соответствие Cl [0]
0,3,1
( R )
с двойственной алгеброй кватернионов.

Чтобы увидеть это, вычислите и Замены знаков e 1 и e 4 чередуют знаки четное число раз и показывают, что двойственная единица ε коммутирует с базисными элементами кватернионов i , j , k .

Примеры: в маленьком измерении

[ редактировать ]

Пусть K — любое поле характеристики, отличной от 2 .

Для dim V = 1 , если Q имеет диагонализацию Diag( a ) , то есть существует ненулевой вектор x такой, что Q ( x ) = a , то Cl( V , Q ) алгебра-изоморфен K -алгебре порожденный элементом x , который удовлетворяет x 2 = a , квадратичная алгебра K [ X ] / ( X 2 - а ) .

В частности, если a = 0 (т. е. Q нулевая квадратичная форма), то Cl( V , Q ) алгебра-изоморфна алгебре двойственных чисел над K.

Если a — ненулевой квадрат в K , то Cl( V , Q K K. )

В противном случае Cl( V , Q ) изоморфно расширению квадратичного поля K ( a ) поля K .

Для dim V = 2 , если Q имеет диагонализацию diag( a , b ) с ненулевыми a и b (которая всегда существует, если Q невырожден), то Cl( V , Q ) изоморфен K -алгебре, порожденной элементами x и y, удовлетворяющими x 2 = а и 2 знак равно б и ху = - yx .

Таким образом, Cl( V , Q ) изоморфна (обобщённой) алгебре кватернионов ( a , b ) K . Мы извлекаем кватернионы Гамильтона, когда a = b = −1 , поскольку H = (−1, −1) R .

В частном случае, если некоторый x в V удовлетворяет Q ( x ) = 1 , то Cl( V , Q ) ≃ M 2 ( K ) .

Характеристики

[ редактировать ]

Связь с внешней алгеброй

[ редактировать ]

Учитывая векторное пространство V , можно построить внешнюю алгебру V , определение которой не зависит от какой-либо квадратичной формы V. на Оказывается, если K не имеет характеристики 2 , то существует естественный изоморфизм между V и Cl( V , Q ), рассматриваемыми как векторные пространства (и существует изоморфизм в характеристике два, который может быть неестественным). Это изоморфизм алгебры тогда и только тогда, когда Q = 0 . Таким образом, алгебру Клиффорда Cl( V , Q ) можно рассматривать как обогащение (или, точнее, квантование, см. введение) внешней алгебры на V с умножением, которое зависит от Q (все еще можно определить внешнее произведение независимо от Q ).

Самый простой способ установить изоморфизм — выбрать ортогональный базис { e1 расширить ,..., } en для V и его до базиса для Cl( V , Q ), как описано выше . Отображение Cl( V , Q ) → ⋀ V определяется уравнением Обратите внимание, что это работает, только если базис { e 1 , ..., e n } ортогонален. Можно показать, что это отображение не зависит от выбора ортогонального базиса и, следовательно, дает естественный изоморфизм.

Если характеристика K . равна 0 , изоморфизм можно также установить путем антисимметризации Определим функции f k : V × ⋯ × V → Cl( V , Q ) формулой где сумма берется по симметрической группе из k элементов, S k . Поскольку fk является знакопеременным , оно индуцирует единственное линейное отображение к V → Cl( V , Q ) . Прямая сумма этих карт дает линейное отображение между V и Cl( V , Q ) . Можно показать, что это отображение является линейным изоморфизмом, и это естественно.

Более сложный способ просмотреть взаимосвязь — построить фильтрацию на Cl( V , Q ) . Напомним, что тензорная алгебра T ( V ) имеет естественную фильтрацию: F 0 Ф 1 Ф 2 ⊂ ⋯ , где F к содержит суммы тензоров порядка k . Проецирование этого на алгебру Клиффорда дает фильтрацию на Cl( V , Q ) . Соответствующая градуированная алгебра естественно изоморфна внешней алгебре V . Поскольку ассоциированная градуированная алгебра фильтрованной алгебры всегда изоморфна фильтрованной алгебре как фильтруемым векторным пространствам (путем выбора дополнений к F к в фа к +1 для всех k ), это обеспечивает изоморфизм (хотя и не естественный) в любой характеристике, даже в двух.

Далее предположим, что характеристика не равна 2 . [и]

Алгебры Клиффорда — это Z 2 - градуированные алгебры (также известные как супералгебры ). Действительно, линейное отображение на V, определенное как v ↦ − v ( отражение через начало координат ), сохраняет квадратичную форму Q и, следовательно, по универсальному свойству алгебр Клиффорда продолжается до автоморфизма алгебры

Поскольку α является инволюцией (т. е. оно квадратично до единицы ), можно разложить Cl( V , Q ) на положительные и отрицательные собственные пространства α где

Поскольку α является автоморфизмом, отсюда следует, что: где верхние индексы в квадратных скобках читаются по модулю 2. Это дает Cl( V , Q ) структуру Z 2 -градуированной алгебры . Подпространство Cl [0] ( V , Q ) образует подалгебру Cl ( V , Q ) , называемую четной подалгеброй . Подпространство Cl [1] ( V , Q ) называется нечетной частью Cl ( V , Q ) (это не подалгебра). Эта Z 2 -градуировка играет важную роль в анализе и применении алгебр Клиффорда. Автоморфизм α называется главной инволюцией или градуированной инволюцией . Элементы, которые являются чистыми в этой Z 2 -градуации, называются просто четными или нечетными.

Замечание . Алгебра Клиффорда не является Z -градуированной алгеброй, но является Z - фильтрованной , где Cl i ( V , Q ) — подпространство, натянутое на все произведения не более i элементов V .

Степень числа Клиффорда обычно относится к степени Z -градации.

Чётная подалгебра Cl [0] ( V , Q ) алгебры Клиффорда сама изоморфна алгебре Клиффорда. [ф] [г] Если V ортогональная прямая сумма вектора a ненулевой нормы Q ( a ) и подпространства U , то Cl [0] ( V , Q ) изоморфен Cl( U , − Q ( a ) Q | U ) , где Q | U — это форма Q ограниченная U. , В частности, в отношении реалов это означает, что:

В отрицательно определенном случае это дает включение Cl 0, n −1 ( R ) ⊂ Cl 0, n ( R ) , которое расширяет последовательность

Р С ЧАС ЧАС ЧАС ⊂ ⋯

Аналогично, в комплексном случае можно показать, что четная подалгебра в Cl n ( C ) изоморфна Cl n −1 ( C ) .

Антиавтоморфизмы

[ редактировать ]

Помимо автоморфизма α , существуют два антиавтоморфизма , которые играют важную роль в анализе алгебр Клиффорда. Напомним, что тензорная алгебра T ( V ) имеет антиавтоморфизм, который меняет порядок во всех произведениях векторов: Поскольку идеал I Q инвариантен относительно этого обращения, эта операция сводится к антиавтоморфизму Cl( V , Q ), называемому операцией транспонирования или обращения , обозначаемому x т . Транспонирование является антиавтоморфизмом: ( xy ) т = и т х т . Операция транспонирования не использует Z 2 -градуацию, поэтому мы определяем второй антиавтоморфизм, комбинируя α и транспонирование. Эту операцию мы называем сопряжением Клиффорда , обозначая Из двух антиавтоморфизмов транспонирование является более фундаментальным. [час]

Обратите внимание, что все эти операции являются инволюциями . Можно показать, что они действуют как ±1 на элементы, чистые по Z -градации. Фактически все три операции зависят только от степени по модулю 4 . То есть, если x чист со степенью k , то где знаки даны следующей таблицей:

к против 4 0 1 2 3
+ + (−1) к
+ + (−1) к ( к - 1)/2
+ + (−1) к ( к + 1)/2

Скалярное произведение Клиффорда

[ редактировать ]

Когда характеристика не равна 2 , квадратичная форма Q на V может быть расширена до квадратичной формы на всем Cl( V , Q ) (которую мы также обозначили Q ). Независимое от базиса определение одного такого расширения: где a 0 обозначает скалярную часть a (часть степени 0 в Z -градуировке). Можно показать, что где v i являются элементами V – это тождество неверно для произвольных элементов Cl( V , Q ) .

Соответствующая симметричная билинейная форма на Cl( V , Q ) определяется выражением Можно проверить, что это приводит к исходной билинейной форме при ограничении V . Билинейная форма на всем Cl( V , Q ) невырождена только тогда , когда она невырождена на V. тогда и

Оператор левого (соответственно правого) умножения Клиффорда на транспонирование a т элемента a является сопряженным к левому (соответственно правому) умножению Клиффорда на a относительно этого скалярного произведения. То есть, и

Структура алгебр Клиффорда

[ редактировать ]

В этом разделе мы предполагаем, что характеристика не равна 2 , векторное пространство V конечномерно и что соответствующая симметричная билинейная форма Q невырождена.

Центральная простая алгебра над K — это матричная алгебра над (конечномерной) алгеброй с делением с K. центром Например, центральные простые алгебры над вещественными числами являются матричными алгебрами либо над вещественными числами, либо над кватернионами.

  • Если V имеет четную размерность, то ( V , Q ) — центральная простая алгебра над K. Cl
  • Если V имеет четную размерность, то четная подалгебра Cl [0] ( V , Q ) — центральная простая алгебра над квадратичным расширением K или сумма двух изоморфных центральных простых алгебр K. над
  • Если V имеет нечетную размерность, то Cl( V , Q ) является центральной простой алгеброй над квадратичным расширением K или суммой двух изоморфных центральных простых алгебр над K .
  • Если V имеет нечетную размерность, то четная подалгебра Cl [0] ( V , Q ) центральная простая алгебра над K.

Строение алгебр Клиффорда можно выяснить явно, используя следующий результат. Предположим, что U имеет четную размерность и неособую билинейную форму с дискриминантом d , и предположим, что V — другое векторное пространство с квадратичной формой. Алгебра Клиффорда группы U + V изоморфна тензорному произведению алгебр Клиффорда группы U и (−1) тусклый( U )/2 dV , которое представляет собой пространство V с его квадратичной формой, умноженной на (−1) тусклый( U )/2 д . В отношении реальных значений это, в частности, означает, что Эти формулы можно использовать для нахождения структуры всех вещественных алгебр Клиффорда и всех комплексных алгебр Клиффорда; см. классификацию алгебр Клиффорда .

Примечательно, что класс эквивалентности Мориты алгебры Клиффорда (ее теория представлений: класс эквивалентности категории модулей над ней) зависит только от сигнатуры ( p q ) mod 8 . Это алгебраическая форма периодичности Ботта .

Липшицева группа

[ редактировать ]

Класс липшицевых групп ( он же [9] Группы Клиффорда или группы Клиффорда–Липшица) был открыт Рудольфом Липшицем . [10]

В этом разделе мы предполагаем, что конечномерна и квадратичная форма Q невырождена V .

Действие на элементы алгебры Клиффорда ее группы единиц можно определить в терминах скрученного сопряжения: скрученное сопряжение с помощью x отображает y α ( x ) y x −1 , где α основная инволюция, определенная выше .

Группа Липшица Γ определяется как набор обратимых элементов x , которые стабилизируют набор векторов относительно этого действия: [11] это означает, что для всех v в V мы имеем:

Эта формула также определяет действие группы Липшица на векторное пространство V , которое сохраняет квадратичную форму Q и, таким образом, дает гомоморфизм группы Липшица в ортогональную группу. Группа Липшица содержит все элементы r из V , для которых Q ( r ) обратимо в K , и они действуют на V посредством соответствующих отражений, которые переводят v в v - ( r , v + v , r ) r / ‍ Q ( р ) . (В характеристике 2 они называются ортогональными трансвекциями, а не отражениями.)

Если V — конечномерное вещественное векторное пространство с невырожденной квадратичной формой, то группа Липшица отображается в ортогональную группу V относительно формы (по теореме Картана–Дьедонне ), а ядро ​​состоит из ненулевых элементов поле К. ​Это приводит к точным последовательностям

По другим полям или с неопределенными формами отображение, как правило, не является включенным, и отказ фиксируется спинорной нормой.

Спинорная норма

[ редактировать ]

В произвольной характеристике спинорная норма Q определяется на группе Липшица формулой Это гомоморфизм группы Липшица в группу K × ненулевых элементов K . Оно совпадает с квадратичной формой Q формы V , когда V отождествляется с подпространством алгебры Клиффорда. Некоторые авторы определяют спинорную норму несколько иначе, так что она отличается от приведенной здесь в −1 , 2 или −2 раза на Γ. 1 . Разница не очень существенная по характеристике кроме 2.

Ненулевые элементы группы K имеют спинорную норму в группе ( K × ) 2 квадратов ненулевых элементов поля K . Итак, когда V конечномерно и неособо, мы получаем индуцированное отображение ортогональной группы V в группу K × / ‍ ( К × ) 2 , также называемая спинорной нормой. Спинорная норма отражения о r , для любого вектора r имеет образ Q ( r ) в K × / ‍ ( К × ) 2 , и это свойство однозначно определяет его на ортогональной группе. Это дает точные последовательности:

Заметим, что в характеристике 2 группа {±1} имеет всего один элемент.

С точки зрения когомологий Галуа алгебраических групп , спинорная норма является связующим гомоморфизмом на когомологиях. Записывая µ 2 для алгебраической группы квадратных корней из 1 (над полем характеристики, отличной от 2, это примерно то же самое, что двухэлементная группа с тривиальным действием Галуа), короткая точная последовательность дает длинную точную последовательность когомологий, которая начинается

0-я группа когомологий Галуа алгебраической группы с коэффициентами из K — это просто группа K -значных точек: H 0 ( грамм ; K ) знак равно грамм ( K ) , и ЧАС 1 2 ; K ) ≅ K × / ‍ ( К × ) 2 , который восстанавливает предыдущую последовательность где спинорная норма – это связующий гомоморфизм H 0 В ; К ) → Ч 1 2 ; К ) .

Группы спинов и штифтов

[ редактировать ]

В этом разделе мы предполагаем, что V конечномерно и его билинейная форма неособа.

Группа контактов Pin V ( K ) является подгруппой группы Липшица Γ элементов спинорной нормы 1 , и аналогично группа спина Spin V ( K ) является подгруппой элементов инварианта Диксона 0 в Pin V ( K ) . Когда характеристика не равна 2 , это элементы определителя 1 . Группа спинов обычно имеет индекс 2 в группе контактов.

Напомним из предыдущего раздела, что существует гомоморфизм группы Липшица в ортогональную группу. Мы определяем специальную ортогональную группу как образ Γ 0 . Если K не имеет характеристики 2, то это просто группа элементов ортогональной группы определителя 1 . Если K действительно имеет характеристику 2 , то все элементы ортогональной группы имеют определитель 1 , а специальная ортогональная группа представляет собой набор элементов инварианта Диксона 0 .

Существует гомоморфизм группы штифтов в ортогональную группу. Образ состоит из элементов спинорной нормы 1 ∈ K × / ‍ ( К × ) 2 . Ядро состоит из элементов +1 и −1 и имеет порядок 2, если K не имеет характеристики 2 . Аналогично существует гомоморфизм группы Spin в специальную ортогональную группу V .

В общем случае, когда V является положительно или отрицательно определенным пространством над действительными числами, группа спинов отображается в специальную ортогональную группу и является односвязной, когда V имеет размерность не менее 3 . Далее ядро ​​этого гомоморфизма состоит из 1 и −1 . Таким образом, в этом случае спиновая группа Spin( n ) является двойным покрытием SO( n ) . Однако заметим, что простая связность спиновой группы в общем случае неверна: если V есть R п , д если p и q оба не менее 2 , то спиновая группа не является односвязной. В этом случае алгебраическая группа Spin p , q односвязна как алгебраическая группа, хотя ее группа вещественнозначных точек Spin p , q ( R ) не является односвязной. Это довольно тонкий момент, который окончательно сбил с толку авторов как минимум одной стандартной книги о спиновых группах. [ который? ]

Алгебры Клиффорда Cl p , q ( C ) с p + q = 2 n четным являются матричными алгебрами, имеющими комплексное представление размерности 2 . н . Ограничивая группу Pin p , q ( R ), мы получаем комплексное представление группы Pin той же размерности, называемое спиновым представлением . Если мы ограничим это спиновой группой Spin p , q ( R ), тогда она распадается как сумма двух представлений половинного спина (или представлений Вейля ) размерности 2. п -1 .

Если p + q = 2 n + 1 нечетно, то алгебра Клиффорда Cl p , q ( C ) представляет собой сумму двух матричных алгебр, каждая из которых имеет представление размерности 2 н , и это также оба представления группы контактов Pin p , q ( R ) . При ограничении на спиновую группу Spin p , q ( R ) они становятся изоморфными, поэтому спиновая группа имеет комплексное спинорное представление размерности 2. н .

В более общем смысле, спинорные группы и группы штифтов над любым полем имеют схожие представления, точная структура которых зависит от структуры соответствующих алгебр Клиффорда : всякий раз, когда алгебра Клиффорда имеет фактор, который является матричной алгеброй над некоторой алгеброй с делением, мы получаем соответствующее представление группы штифтов и спинов над этой алгеброй с делением.Примеры над реалами см. в статье о спинорах .

Настоящие спиноры

[ редактировать ]

Чтобы описать реальные представления спина, нужно знать, как спиновая группа располагается внутри своей алгебры Клиффорда. Группа контактов , Pin p , q — это набор обратимых элементов в Cl p , q , которые можно записать как произведение единичных векторов: По сравнению с приведенными выше конкретными реализациями алгебр Клиффорда, группа штифтов соответствует произведениям произвольного числа отражений: это покрытие полной ортогональной группы O( p , q ) . Спиновая группа состоит из тех элементов Pin p , q , которые являются произведениями четного числа единичных векторов. Таким образом, по теореме Картана–Дьедонне Spin является покрытием группы собственных вращений SO( p , q ) .

Пусть α : Cl → Cl — автоморфизм, задаваемый отображением v ↦ − v, действующим на чистые векторы. Тогда, в частности, Spin p , q — подгруппа Pin p , q , элементы которой фиксированы α . Позволять (Это в точности элементы четной степени из Cl p , q .) Тогда спиновая группа лежит внутри Cl [0]
п , д
.

Неприводимые представления Cl p , q ограничиваются представлениями группы выводов. И наоборот, поскольку группа контактов генерируется единичными векторами, все ее неприводимые представления индуцируются таким образом. Таким образом, два представления совпадают. По тем же причинам неприводимые представления спина совпадают с неприводимыми представлениями Cl [0]
п , д
.

Для классификации пин-представлений достаточно обратиться к классификации алгебр Клиффорда . Чтобы найти спиновые представления (которые являются представлениями четной подалгебры), можно сначала использовать любой из изоморфизмов (см. Выше) и реализовать представление спина в сигнатуре ( p , q ) как представление булавки в сигнатуре ( p , q − 1) или ( q , p − 1) .

Приложения

[ редактировать ]

Дифференциальная геометрия

[ редактировать ]

Одно из основных применений внешней алгебры находится в дифференциальной геометрии , где она используется для определения пучка дифференциальных форм на гладком многообразии . В случае ( псевдо- ) риманова многообразия касательные пространства снабжены естественной квадратичной формой, индуцированной метрикой . Таким образом, можно определить расслоение Клиффорда аналогично внешнему расслоению . Это имеет ряд важных приложений в римановой геометрии . Возможно, более важным является связь со спиновым многообразием , связанным с ним спинорным расслоением и спином. с коллекторы.

Алгебры Клиффорда имеют множество важных приложений в физике. Физики обычно считают алгеброй Клиффорда алгебру, базис которой порождается матрицами γ 0 , ..., γ 3 , называемыми матрицами Дирака , которые обладают свойством где η — матрица квадратичной формы сигнатуры (1, 3) (или (3, 1), соответствующей двум эквивалентным выборам метрической сигнатуры). Это и есть определяющие соотношения для алгебры Клиффорда Cl
1,3
( R )
которого , комплексификация есть Cl
1,3
( R ) C
, которая по классификации алгебр Клиффорда изоморфна алгебре 4×4 комплексных матриц Cl4 размера ( C ) ≈ M4 ( C ) . Однако лучше всего сохранить обозначение Cl
1,3
( R ) C
, поскольку любое преобразование, которое переводит билинейную форму в каноническую форму, не является преобразованием Лоренца основного пространства-времени.

Таким образом, алгебра пространства-времени Клиффорда, используемая в физике, имеет более структуру, чем Cl 4 ( C ) . Кроме того, он имеет ряд предпочтительных преобразований – преобразований Лоренца. Необходимость комплексификации для начала зависит частично от используемых соглашений и частично от того, насколько много мы хотим включить напрямую, но комплексификация чаще всего необходима в квантовой механике, где спиновое представление алгебры Ли ( 1, 3) находится внутри алгебра Клиффорда обычно требует комплексной алгебры Клиффорда. Для справки: спиновая алгебра Ли имеет вид

Это соответствует соглашению (3, 1) , поэтому подходит для Cl.
3,1
( Р ) С
. [12]

Матрицы Дирака были впервые записаны Полем Дираком , когда он пытался написать релятивистское волновое уравнение первого порядка для электрона и дать явный изоморфизм алгебры Клиффорда алгебре комплексных матриц. Результат был использован для определения уравнения Дирака и введения оператора Дирака . Вся алгебра Клиффорда проявляется в квантовой теории поля в виде билинейеров поля Дирака .

Использование алгебр Клиффорда для описания квантовой теории было предложено, среди прочего, Марио Шенбергом . [я] Дэвидом Хестенсом в терминах геометрического исчисления , Дэвидом Бомом и Бэзилом Хили и его сотрудниками в форме иерархии алгебр Клиффорда , а также Элио Конте и др. [13] [14]

Компьютерное зрение

[ редактировать ]

Алгебры Клиффорда применялись в задаче распознавания и классификации действий в компьютерном зрении . Родригес и др. [15] предложить встраивание Клиффорда для обобщения традиционных фильтров MACH на видео (3D пространственно-временной объем) и векторные данные, такие как оптический поток . Векторные данные анализируются с использованием преобразования Фурье Клиффорда . На основе этих векторов синтезируются фильтры действий в области Фурье Клиффорда и распознавание действий осуществляется с использованием корреляции Клиффорда. Авторы демонстрируют эффективность встраивания Клиффорда, распознавая действия, обычно выполняемые в классических художественных фильмах и спортивных трансляциях.

Обобщения

[ редактировать ]
  • Хотя эта статья посвящена алгебре Клиффорда векторного пространства над полем, определение без изменений распространяется на модуль над любым ассоциативным коммутативным кольцом с единицей. [Дж]
  • Алгебры Клиффорда могут быть обобщены до формы степени выше квадратичной в векторном пространстве. [16]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Также известна как геометрическая алгебра (особенно над действительными числами).
  2. ^ См. например. Озевич и Ситарчик, 1992 г.
  3. ^ Математики, которые работают с реальными алгебрами Клиффорда и предпочитают положительно определенные квадратичные формы (особенно те, кто работает в теории индексов ), иногда используют другой выбор знака в фундаментальном тождестве Клиффорда. То есть они принимают v 2 знак равно - Q ( v ) . необходимо заменить Q на Q. При переходе от одного соглашения к другому
  4. ^ Ваз и да Роша 2016 проясняют, что карта i ( γ в цитате здесь) включена в структуру алгебры Клиффорда, определяя ее как «Пара ( A , γ ) является алгеброй Клиффорда для квадратичного пространства ( V , g ), когда A алгебра с помощью { γ ( v ) | v V } и { a 1 A | R ( порождается как } , и γ удовлетворяет условию γ v ) γ ( u ) + γ ( u ) γ ( v ) знак равно 2 г ( v , ты ) для всех v , ты V ».
  5. ^ Таким образом, групповая алгебра K [ Z ‍ / ‍ 2 Z ] полупроста , а алгебра Клиффорда распадается на собственные пространства основной инволюции.
  6. ^ Технически, она не имеет полной структуры алгебры Клиффорда без обозначенного векторного подпространства и поэтому изоморфна как алгебра, но не как алгебра Клиффорда.
  7. ^ Мы по-прежнему предполагаем, что характеристика не равна 2 .
  8. ^ Обратное верно при использовании альтернативного соглашения о знаках (-) для алгебр Клиффорда: более важным является сопряжение. В общем, значения спряжения и транспонирования меняются местами при переходе от одного соглашения о знаках к другому. Например, в используемом здесь соглашении обратный вектор определяется как v −1 = v т / Q ( v ), тогда как в соглашении (−) он определяется как v −1 знак равно v / Q ( v ) .
  9. ^ См. ссылки на статьи Шенберга 1956 и 1957 годов, описанные в разделе «Алгебра Грассмана – Шенберга G n » журнала Bolivar 2001.
  10. ^ См. например. Озевич и Ситарчик, 1992 г.
  • Боливар, АО (2001), «Классический предел фермионов в фазовом пространстве», J. Math. Физ. , 42 (9): 4020–4030, Bibcode : 2001JMP....42.4020B , doi : 10.1063/1.1386411
  • Боттема, О.; Рот, Б. (2012) [1979]. Теоретическая кинематика . Дувр. ISBN  978-0-486-66346-3 .
  • Бурбаки, Николя (1988), Алгебра , Springer-Verlag , ISBN  978-3-540-19373-9 , раздел IX.9.
  • Клиффорд, WK (1873 г.). «Предварительный набросок бикватернионов». Учеб. Лондонская математика. Соц . 4 .
  • Клиффорд, WK (1882 г.). Такер, Р. (ред.). Математические статьи . Лондон: Макмиллан.
  • Карнахан, С., Заметки семинара Борчердса, необрезанный, неделя 5 , Спиноры и алгебры Клиффорда
  • Конте, Элио (14 ноября 2007 г.). «Квантовая интерпретация и решение парадокса Эйнштейна, Подольского и Розена в квантовой механике». arXiv : 0711.2260 [ квант-ф ].
  • Конте, Элио (2012), «О некоторых соображениях математической физики: можем ли мы идентифицировать алгебру Клиффорда как общую алгебраическую структуру для классической диффузии и уравнений Шредингера?», Adv. Исследования Теор. Физ. , 6 (26): 1289–1307
  • Гарлинг, DJH (2011), Алгебры Клиффорда. Введение , Студенческие тексты Лондонского математического общества, том. 78, Издательство Кембриджского университета , ISBN  978-1-107-09638-7 , Збл   1235.15025
  • Хейл, Даррелл Э. (декабрь 1984 г.). «Об алгебре Клиффорда двоичной кубической формы». Американский журнал математики . 106 (6). Издательство Университета Джонса Хопкинса: 1269–1280. дои : 10.2307/2374394 . JSTOR   2374394 .
  • Джаганнатан, Р. (2010), Об обобщенных алгебрах Клиффорда и их физических приложениях , arXiv : 1005.4300 , Bibcode : 2010arXiv1005.4300J
  • Лам, Цит-Юэнь (2005), Введение в квадратичные формы над полями , Аспирантура по математике , том. 67, Американское математическое общество , ISBN.  0-8218-1095-2 , МР   2104929 , Збл   1068.11023
  • Лоусон, Х. Блейн; Майкельсон, Мария-Луиза (1989), Спиновая геометрия , Princeton University Press , ISBN  978-0-691-08542-5 . Расширенный учебник по алгебрам Клиффорда и их приложениям к дифференциальной геометрии.
  • Лунесто, Пертти (1993), З. Озиевич; Б. Янцевич; А. Боровец (ред.), «Что такое бивектор?», Спиноры, твисторы, алгебры Клиффорда и квантовые деформации , Фундаментальные теории физики: 153–158.
  • Лунесто, Пертти (1996), «Контрпримеры в алгебрах Клиффорда с CLICAL», Алгебры Клиффорда с числовыми и символическими вычислениями , стр. 3–30, doi : 10.1007/978-1-4615-8157-4_1 , ISBN  978-1-4615-8159-8
  • Лунесто, Пертти (2001), алгебры и спиноры Клиффорда , Cambridge University Press , ISBN  978-0-521-00551-7
  • Маккарти, Дж. М. (1990). Введение в теоретическую кинематику . МТИ Пресс. ISBN  978-0-262-13252-7 .
  • Озиевич, З.; Ситарчик, С.З. (1992). «Параллельное рассмотрение римановых и симплектических алгебр Клиффорда» . В Микали, А.; Буде, Р.; Хельмстеттер, Дж. (ред.). Алгебры Клиффорда и их приложения в математической физике . Клювер. п. 83. ИСБН  0-7923-1623-1 .
  • Первасс, Кристиан (2009), Геометрическая алгебра с приложениями в технике , Springer Science & Business Media, Bibcode : 2009gaae.book.....P , ISBN  978-3-540-89068-3
  • Портеус, Ян Р. (1995), Алгебры Клиффорда и классические группы , Cambridge University Press , ISBN  978-0-521-55177-9
  • Родригес, Микель; Шах, М (2008). «Действие MACH: пространственно-временной фильтр максимальной средней средней высоты корреляции для классификации действий». Компьютерное зрение и распознавание образов (CVPR) .
  • Сильвестр, Дж. Дж. (1882), Несколько слов о нонионах , Проспекты Университета Джона Хопкинса, том. I, стр. 241–2, hdl : 1774,2/32845 ; там же II (1883) 46; там же III (1884) 7–9. Краткое изложение в «Сборнике статей по математике Джеймса Джозефа Сильвестра» (издательство Кембриджского университета, 1909 г.), т. III . онлайн и далее .
  • Ваз, Дж.; да Роша, Р. (2016), Введение в алгебры и спиноры Клиффорда , Oxford University Press , Bibcode : 2016icas.book.....V , ISBN  978-0-19-878292-6
  • Вайнберг, С. (2002), Квантовая теория полей , том. 1, Издательство Кембриджского университета , ISBN  0-521-55001-7

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 14a9ab15ffc568d8a5001fc4c555b145__1721680980
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/14/45/14a9ab15ffc568d8a5001fc4c555b145.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Clifford algebra - 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.)