Алгебра Клиффорда

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В математике Клиффорда алгебра [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 [ править ]

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 Q невырождено , указывающей , , Cl( V , Q ) может быть идентифицирован меткой Cl p , q ( R ) 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 .

Свободную алгебру, порожденную V, записать как тензорную алгебру n ≥0 V ⊗ ⋯ ⊗ V , то есть прямую сумму тензорного произведения n можно 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 , то фундаментальное тождество , в основном поле K приведенное выше, можно переписать в виде

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 [ править ]

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 второй характеристики они все еще изоморфны как векторные пространства, но не естественным образом). Умножение Клиффорда вместе с выделенным подпространством строго богаче внешнего произведения, 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 алгебрах CCR и CAR .

Универсальная недвижимость и строительство [ править ]

Пусть V векторное пространство над полем   K , и пусть : V K квадратичная форма на V. Q 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 ( A , i ) , [д] [4] где A с единицей ассоциативная алгебра над K , а i линейное отображение i : V → Cl( V , Q ) , которое удовлетворяет i ( v ) 2 = Q ( v )1 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 : Cl( V , Q ) → 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 [ править ]

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 перестановки ) порядка .

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

: действительные и комплексные Клиффорда Примеры алгебры

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» .

Действительные числа [ править ]

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 } , для R 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 −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 [ править ]

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 двойных кватернионов [ править ]

Кватернионы [ править ]

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 [ править ]

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 на и пусть квадратичная форма Q — вырожденная форма, полученная из евклидовой метрики 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 , , e2 } e3 , , e4 то дает соотношения произведение Клиффорда

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 размере [ править ]

Пусть K — любое поле характеристики, отличной от 2 .

Измерение 1 [ править ]

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 ( V , Q ) алгебра-изоморфна алгебре двойственных чисел над K. Cl

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 .

Измерение 2 [ править ]

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 ) .

Свойства [ править ]

внешней алгеброй Связь с

Учитывая векторное пространство V , можно построить внешнюю алгебру V не зависит от какой-либо квадратичной формы на V. , определение которой Оказывается, что 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, можно рассматривать алгебру Клиффорда Cl( V , Q ) 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 ).

способ установить изоморфизм — выбрать ортогональный базис { e1 , ,..., en для } Самый простой V и расширить его до базиса для Cl( V , Q ) как описано выше . Отображение Cl( V , Q ) → ⋀ V определяется соотношением

Обратите внимание, что это работает только в том случае, 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 знакопеременным является , 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.

Оценка [ править ]

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

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 ( V , Q ) структуру Z2 - Cl 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

Четная 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 ) .

Antiautomorphisms[editАнтиавтоморфизмы

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 Икс 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 Клиффорда произведение

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 тогда и только тогда , она невырождена на V. когда

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 Клиффорда алгебр

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 K. над

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 .

Группа Липшица [ править ]

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 [ править ]

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 ; К ) ≅ К × ‍ / ‍ ( К × ) 2 , который восстанавливает предыдущую последовательность

где спинорная норма – это связующий гомоморфизм H 0 В ; К ) → Ч 1 2 ; К ) .

Группы вращений и штифтов [ править ]

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 вращения 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 . Итак, в этом случае спиновая группа Spin( n ) является двойным покрытием SO( n ) . Однако обратите внимание, 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? ]

Спиноры [ править ]

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 ) , то 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 реалов см. в статье о спинорах .

Настоящие спиноры [ править ]

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 представления спина (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 [ править ]

Дифференциальная геометрия [ править ]

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.

Физика [ править ]

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 )
, комплексификация которого есть Cl
1,3
( R ) C
, которая по классификации алгебр Клиффорда изоморфна алгебре ×4 комплексных матриц размера Cl4 4 ( 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 [ править ]

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 телетрансляциях.

Обобщения [ править ]

  • 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 [ править ]

Примечания [ править ]

  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 порождается как алгебра с помощью { γ ( v ) | v V } и { a 1 A | R γ , } , а γ удовлетворяет условию ( 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.

Цитаты [ править ]

Ссылки [ править ]

  • 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), «Некоторые соображения по математической физике: 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 символьными 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. (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 высоты корреляции для классификации действий». Компьютерное зрение и распознавание образов (CVPR) .
  • Сильвестр, Дж. Дж. (1882), Слово 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 дальше .
  • 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 [ править ]

Внешние ссылки [ править ]