Группа кватернионов

Таблица умножения группы кватернионов (упрощенная форма)
1 я дж к
1 1 я дж к
я я −1 к j
дж дж - к −1 я
к к дж - я −1
Циклическая диаграмма Q 8 . Каждый цвет определяет серию степеней любого элемента, связанного с единичным элементом e = 1. Например, красный цикл отражает тот факт, что i 2 = е , я 3 = я и я 4 = е. Красный цикл также отражает то, что я 2 = е , я 3 = я и я 4 = е.

В теории групп группа кватернионов Q 8 (иногда обозначаемая просто Q) — неабелева группа , восьмого порядка изоморфная восьмиэлементному подмножеству кватернионов при умножении . Это дается групповой презентацией.

где e — единичный элемент, а e коммутирует с другими элементами группы. Эти отношения, открытые У. Р. Гамильтоном , также порождают кватернионы как алгебру над действительными числами.

Еще одна презентация вопроса 8 :

Как и многие другие конечные группы, ее можно реализовать как группу Галуа некоторого поля алгебраических чисел . [1]

По сравнению с группой диэдра [ править ]

Группа кватернионов Q 8 имеет тот же порядок, что и группа диэдра D 4 , но другую структуру, как показывают их графы Кэли и циклов:

QQ8 Д 4
Граф Кэли
Красные стрелки соединяют g gi , зеленые соединяют g gj .
График цикла

На диаграммах для D 4 элементы группы отмечены их действием на букву F в определяющем представлении R. 2 . То же самое нельзя сделать для Q 8 , поскольку он не имеет точного представления в R 2 или Р 3 . D 4 может быть реализован как подмножество разделенных кватернионов таким же образом, как Q 8 можно рассматривать как подмножество кватернионов.

Таблица Кэли [ править ]

Таблица Кэли (таблица умножения) для Q 8 имеет вид: [2]

× и и я я дж дж к к
и и и я я дж дж к к
и и и я я дж дж к к
я я я и и к к дж дж
я я я и и к к дж дж
дж дж дж к к и и я я
дж дж дж к к и и я я
к к к дж дж я я и и
к к к дж дж я я и и

Свойства [ править ]

Все элементы i , j и k имеют четвертый порядок в Q 8 , и любые два из них порождают всю группу. Еще одна презентация Q 8 [3] основанный только на двух элементах для пропуска этой избыточности:

Например, записывая элементы группы в лексикографически минимальных нормальных формах, можно идентифицировать:

Группа кватернионов обладает необычным свойством быть гамильтоновой : Q 8 неабелева, но подгруппа нормальна каждая . [4] Каждая гамильтонова группа содержит копию Q 8 . [5]

Группа кватернионов Q 8 и группа диэдра D 4 являются двумя наименьшими примерами нильпотентной неабелевой группы.

Центром является и коммутантом группы Q 8 подгруппа . Внутренняя группа автоморфизмов Q 8 задается группой по модулю ее центра, т. е. фактор-группой которая изоморфна четырехгруппе Клейна V. Полная группа автоморфизмов Q 8 изоморфна , S 4 , симметричной группе из четырех букв (см. Матричные представления ниже), а внешняя группа автоморфизмов Q 8 таким образом, равна S 4 / V, который изоморфен S 3 .

Группа кватернионов Q 8 имеет пять классов сопряженности: и, таким образом, пять неприводимых представлений над комплексными числами размерностей 1, 1, 1, 1, 2:

Тривиальное представление .

Представления знаков с i, j, k-ядром : Q 8 имеет три максимальные нормальные подгруппы: циклические подгруппы, порожденные i, j и k соответственно. Для каждой максимальной нормальной подгруппы N мы получаем одномерное представление, факторизуемое через 2-элементную факторгруппу G / N . Представление отправляет элементы N в 1, а элементы за пределами N в -1.

2-мерное представление : описано ниже в разделе «Матричные представления» . Оно нереализуемо для действительных чисел , но представляет собой сложное представление: действительно, это всего лишь кватернионы. рассматривается как алгебра над , а действие — умножение слева на .

Таблица символов Q8 у оказывается такой же, как и D4 :

Представление(ρ)/Класс сопряженности { и } { и } { я, я } {Дж, Дж } { к, к }
Тривиальное представление 1 1 1 1 1
Представление знака с помощью i-kernel 1 1 1 −1 −1
Представление знаков с помощью j-ядра 1 1 −1 1 −1
Представление знака с помощью k-ядра 1 1 −1 −1 1
2-мерное представление 2 −2 0 0 0

Тем не менее, все неприводимые характеры в строках выше имеют действительные значения, это дает разложение вещественной групповой алгебры на минимальные двусторонние идеалы :

где идемпотенты соответствуют неприводимым:

так что

Каждый из этих неприводимых идеалов изоморфен вещественной центральной простой алгебре , первые четыре — вещественному полю. . Последний идеал изоморфно телу кватернионов по переписке:

Более того, гомоморфизм проекций данный имеет идеал ядра, порожденный идемпотентом:

поэтому кватернионы также можно получить как факторкольцо . Обратите внимание, что это неприводимо как реальное представление , но распадается на две копии двумерной неприводимой при расширении до комплексных чисел. Действительно, комплексная групповая алгебра где — алгебра бикватернионов .

Матричные представления [ править ]

Таблица умножения группы кватернионов как подгруппы SL (2, C ). Записи представлены секторами, соответствующими их аргументам: 1 (зеленый), i (синий), −1 (красный), − i (желтый).

Описанное выше двумерное неприводимое комплексное представление дает группу кватернионов Q 8 как подгруппу общей линейной группы. . Группа кватернионов — это мультипликативная подгруппа алгебры кватернионов:

который имеет регулярное представление умножением слева на себя, рассматриваемого как комплексное векторное пространство с базисом так что соответствует -линейное картографирование Полученное представление

дается:

Поскольку все приведенные выше матрицы имеют единичный определитель, это представление Q 8 в специальной линейной группе . [6]

Вариант дает представление унитарными матрицами (таблица справа). Позволять соответствуют линейному отображению так что дается:

Стоит отметить, что физики используют исключительно другое соглашение для матричное представление для связи с обычными матрицами Паули :

Этот конкретный выбор удобен и элегантен при описании состояний со спином 1/2 в базисе и учитывает операторы лестницы углового момента

Таблица умножения группы кватернионов как подгруппы SL(2,3) . Элементы поля обозначаются 0, +, −.

Существует также важное действие Q8 на двумерное векторное пространство над конечным полем (таблица справа). Модульное представление дается

Это представление можно получить из поля расширения :

где и мультипликативная группа имеет четыре генератора, порядка 8. Для каждого двумерный -векторное пространство допускает линейное отображение:

Кроме того, мы имеем автоморфизм Фробениуса удовлетворяющий и Тогда приведенные выше матрицы представления будут следующими:

Это представление реализует Q 8 как нормальную подгруппу GL (2, 3) . Таким образом, для каждой матрицы , мы имеем групповой автоморфизм

с Фактически, они дают полную группу автоморфизмов как:

Она изоморфна симметрической группе S 4, поскольку линейные отображения переставить четыре одномерных подпространства т. е. четыре точки проективного пространства

Кроме того, это представление переставляет местами восемь ненулевых векторов дающее вложение Q 8 в симметрическую группу S 8 в дополнение к вложениям, заданным регулярными представлениями.

Группа Галуа [ править ]

Ричард Дедекинд рассмотрел поле в попытке связать группу кватернионов с теорией Галуа . [7] В 1936 году Эрнст Витт опубликовал свой подход к группе кватернионов на основе теории Галуа. [8]

В 1981 году Ричард Дин показал, что группа кватернионов может быть реализована как группа Галуа Gal(T/ Q ), где Q — поле рациональных чисел , а T — поле расщепления полинома.

.

В разработке используется фундаментальная теорема теории Галуа для определения четырех промежуточных полей между Q и T и их группами Галуа, а также две теоремы о циклическом расширении четвертой степени над полем. [1]

группа Обобщенная кватернионов

Обобщенная группа кватернионов Q 4 n порядка 4 n определяется представлением [3]

для целого числа n ≥ 2 с обычной группой кватернионов, заданной n = 2. [9] Коксетер называет Q 4 n дициклической группой. , частный случай бинарной группы многогранников и относится к группе многогранников и группа диэдра . Обобщенная группа кватернионов может быть реализована как подгруппа созданный

где . [3] Его также можно реализовать как подгруппу единичных кватернионов, порожденную [10] и .

Обобщенные группы кватернионов обладают тем свойством, что каждая абелева подгруппа является циклической. [11] Можно показать, что конечная p -группа с этим свойством (каждая абелева подгруппа циклическая) является либо циклической, либо обобщенной группой кватернионов, как определено выше. [12] Другая характеристика состоит в том, что конечная p -группа, в которой существует единственная подгруппа порядка p, является либо циклической, либо 2-группой, изоморфной обобщенной группе кватернионов. [13] В частности, для конечного поля F с нечетной характеристикой 2-силовская подгруппа в SL 2 ( F ) неабелева и имеет только одну подгруппу порядка 2, поэтому эта 2-силовская подгруппа должна быть обобщенной группой кватернионов, ( Горенштейн 1980 , с. 42). Позволяя п р — размер F , где p — простое число, размер 2-силовской подгруппы SL 2 ( F ) равен 2 н , где n = ord 2 ( p 2 - 1) + ord 2 ( р ) .

Теорема Брауэра –Сузуки показывает, что группы, силовские 2-подгруппы которых являются обобщенными кватернионами, не могут быть простыми.

Другая терминология оставляет за собой название «обобщенная группа кватернионов» для дициклической группы порядка степени 2, [14] который допускает представление

См. также

Примечания [ править ]

  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Дин, Ричард (1981). «Рациональный многочлен, группа которого представляет собой кватернионы». Американский математический ежемесячник . 88 (1): 42–45. дои : 10.2307/2320711 . JSTOR   2320711 .
  2. ^ См. также таблицу из Wolfram Alpha.
  3. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Джонсон 1980 , стр. 44–45.
  4. ^ См. Холл (1999), с. 190
  5. ^ См. Курош (1979), с. 67
  6. ^ Артин 1991
  7. ^ Ричард Дедекинд (1887) «Построение кватернионных тел», Ges math. Работа II 376–84.
  8. ^ Эрнст Витт (1936) «Построение тел Галуа…» Журнал Крелля 174: 237-45
  9. ^ Некоторые авторы (например, Ротман 1995 , стр. 87, 351) называют эту группу дициклической группой, сохраняя название «обобщенная группа кватернионов» для случая, когда n является степенью 2.
  10. ^ Браун 1982 , с. 98
  11. ^ Браун 1982 , с. 101, упражнение 1
  12. ^ Картан и Эйленберг 1999 , Теорема 11.6, с. 262
  13. ^ Браун 1982 , Теорема 4.3, с. 99
  14. ^ Роман, Стивен (2011). Основы теории групп: продвинутый подход . Спрингер. стр. 347–348. ISBN  9780817683016 .

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]