Гировекторное пространство
Алгебраическая структура → Теория групп Теория групп |
---|
Гировекторное пространство — математическая концепция, предложенная Абрахамом А. Унгером для изучения гиперболической геометрии по аналогии с тем, как векторные пространства используются в евклидовой геометрии . [1] Унгар ввел концепцию гировекторов, сложение которых основано на гирогруппах, вместо векторов, сложение которых основано на группах . Унгар разработал свою концепцию как инструмент для формулировки специальной теории относительности в качестве альтернативы использованию преобразований Лоренца для представления композиции скоростей (также называемых повышениями - «повышения» являются аспектами относительных скоростей , и их не следует путать с « переносами »). ). Это достигается за счет введения «операторов-гироскопов»; два трехмерных вектора скорости используются для построения оператора, который действует на другую трехмерную скорость.
Имя
[ редактировать ]Гирогруппы представляют собой слабоассоциативные группоподобные структуры. Унгар предложил термин гирогруппа для того, что он назвал гирокоммутативной гирогруппой, при этом термин гирогруппа был зарезервирован для негирокоммутативного случая, по аналогии с группами и абелевыми группами . Гирогруппы — это разновидность петли Бола . Гирокоммутативные гирогруппы эквивалентны K-петлям. [2] хотя определяется по-другому. Условия петли Брука [3] и диадический симсет [4] также используются.
Математика гировекторных пространств
[ редактировать ]Гирогруппы
[ редактировать ]Аксиомы
[ редактировать ]Гирогруппа ( G , ) состоит из базового набора G и бинарной операции удовлетворяющие следующим аксиомам:
- В G существует хотя бы один элемент 0, называемый левым тождеством с 0. a = a всех a в G. для
- Для каждого a в G существует элемент a в G называется левым обратным a с ( а ) а = 0.
- Для любых a , b , c в G существует единственный элемент gyr[ a , b ] c в G такой, что бинарная операция подчиняется левому гироассоциативному закону: a ( б в ) = ( а б ) гыр[ а , б ] c
- Отображение gyr[ a , b ]: G → G, заданное формулой c ↦ gyr[ a , b ] c является автоморфизмом магмы , ( G , ) – то есть gyr[ a , b ] является членом Aut( G , ), а автоморфизм gyr[ a , b ] группы G называется гироавтоморфизмом группы G, порожденным a , b в G . Операция gyr: G × G → Aut( G , ) называется гиратором G .
- Гироавтоморфизм gyr[ a , b ] обладает свойством левой петли gyr[ a , b ] = gyr[ a б , б ]
Первая пара аксиом аналогична аксиомам группы . Последняя пара представляет аксиомы гиратора, а средняя аксиома связывает две пары.
Поскольку гирогруппа имеет обратные и единицу, она квалифицируется как квазигруппа и петля .
Гирогруппы являются обобщением групп . Каждая группа является примером гирогруппы с gyr[ a , b определенной как тождественная карта для всех a и b в G. ] ,
Пример конечной гирогруппы приведен в [5] .
Личности
[ редактировать ]Некоторые тождества, справедливые в любой гирогруппе ( G , ) являются:
- (вращение)
- (левая ассоциативность)
- (правая ассоциативность)
Кроме того, можно доказать закон инверсии гирации, который является мотивацией для определения гирокоммутативности ниже:
- (закон инверсии вращения)
Некоторые дополнительные теоремы, которым удовлетворяет группа гирации любой гирогруппы, включают:
- (идентификация)
- (закон обращения гироавтоморфизма)
- (движение даже собственности)
- (свойство правого цикла)
- (свойство левого цикла)
Дополнительные личности указаны на стр. 50 [6] . Одним из особенно полезных следствий приведенных выше тождеств является то, что гирогруппы удовлетворяют левому свойству Бола.
Гирокоммутативность
[ редактировать ]Гирогруппа (Г, ) гирокоммутативна , если ее бинарная операция подчиняется гирокоммутативному закону: a b = gyr[ a , b ]( b а ). Для сложения релятивистских скоростей эта формула, показывающая роль вращения, связывающая a + b и b + a, была опубликована в 1914 году Людвиком Зильберштейном . [7] [8]
Коаддиция
[ редактировать ]В каждой гирогруппе можно определить вторую операцию, коаддицией : называемую б = а диск [ и , б ] б всех а , б € G. для Коприсоединение коммутативно, если сложение гирогрупп гирокоммутативно.
Модель диска/шара Бельтрами-Клейна и дополнение Эйнштейна
[ редактировать ]Релятивистские скорости можно рассматривать как точки в модели Бельтрами-Клейна гиперболической геометрии, поэтому сложение векторов в модели Бельтрами-Клейна можно задать формулой сложения скоростей . Чтобы формула могла быть обобщена для сложения векторов в гиперболическом пространстве размерностей больше 3, формула должна быть записана в форме, позволяющей избежать использования векторного произведения в пользу скалярного произведения .
В общем случае эйнштейновское сложение двух скоростей и задается в координатно-независимой форме как:
где - гамма-фактор, определяемый уравнением .
Используя координаты, это становится:
где .
Сложение скоростей Эйнштейна коммутативно и ассоциативно только тогда, когда и параллельны . Фактически
и
где «gyr» — математическая абстракция прецессии Томаса в оператор, называемый вращением Томаса и определяемый формулой
для всех ш . Прецессия Томаса имеет интерпретацию в гиперболической геометрии как дефект отрицательного гиперболического треугольника .
Композиция преобразований Лоренца
[ редактировать ]Если матричная форма вращения 3 × 3, примененная к 3-координатам, задается gyr[ u , v ], то матричный поворот 4 × 4, примененный к 4-координатам, определяется следующим образом:
- . [9]
Состав двух усилителей Лоренца B( u ) и B( v ) скоростей u и v определяется следующим образом: [9] [10]
Тот факт, что либо B( u v ) или B( v u ) можно использовать в зависимости от того, пишете ли вы вращение до или после объяснения парадокса скоростной композиции .
Композиция двух преобразований Лоренца L( u ,U) и L( v ,V ), которые включают вращения U и V, определяется следующим образом: [11]
В приведенном выше примере повышение можно представить в виде матрицы 4 × 4. Матрица повышения B( v повышение B, которое использует компоненты v т.е. v1 ) означает , v2 v3 , v , в записях матрицы, или, скорее, компоненты / c в представлении, которое используется в раздел Преобразование Лоренца#Формы матриц . Элементы матрицы зависят от компонентов 3-скорости v , и это то, что означает обозначение B( v ). Можно утверждать, что записи зависят от компонентов 4-скорости, поскольку 3 записи 4-скорости совпадают с записями 3-скорости, но полезность параметризации повышения по 3-скорости невелика. что результирующий импульс, который вы получаете из композиции двух ускорений, использует компоненты трехскоростной композиции u v в матрице B( u в ) Но полученное повышение также необходимо умножить на матрицу вращения, поскольку композиция повышения (т. е. умножение двух матриц 4 × 4) приводит не к чистому повышению, а к повышению и вращению, т. е. к матрице 4 × 4, которая соответствует вращение Gyr[ u , v ] для получения B( u )B( v ) = B( u v )Gyr[ u , v ] = Gyr[ u , v ]B( v в ).
Гировекторные пространства Эйнштейна
[ редактировать ]Пусть s — любая положительная константа, пусть (V,+,.) — любое вещественное пространство скалярного произведения и пусть V s = { v ∈ V :| v |<s}. Гировекторное пространство Эйнштейна ( V s , , ) — гирогруппа Эйнштейна ( V s , ) со скалярным умножением, заданным r v = s tanh( r tanh −1 (| v |/ s )) v /| в | где r — любое действительное число, v ∈ V s , v ≠ 0 и r 0 = 0 с обозначением v р = р v .
Скалярное умножение Эйнштейна не распределяется по сложению Эйнштейна, за исключением случаев, когда гировекторы коллинеарны (монораспределенность), но оно обладает другими свойствами векторных пространств: для любого положительного целого числа n и для всех действительных чисел r , r 1 , r 2 и v ∈ V s :
н v = v ... v | n терминов |
( р 1 + р 2 ) v = р 1 v год 2 v | Скалярный распределительный закон |
( р 1 р 2 ) v = р 1 ( год 2 v ) | Скалярный ассоциативный закон |
р ( р 1 а год 2 а ) = р ( р 1 а ) р ( год 2 а ) | Монораспределительный закон |
Модель диска/шара Пуанкаре и дополнение Мёбиуса
[ редактировать ]Преобразование Мёбиуса открытого единичного диска в комплексной плоскости задается полярным разложением
- [ нужна ссылка ] [ нужны разъяснения ] который можно записать как которое определяет сложение Мёбиуса .
Чтобы обобщить это на более высокие измерения, комплексные числа рассматриваются как векторы на плоскости. , а сложение Мёбиуса переписывается в векторной форме как:
Это дает векторное сложение точек в модели шара Пуанкаре гиперболической геометрии, где s=1 для комплексного единичного круга теперь становится любым s>0.
Гировекторные пространства Мёбиуса
[ редактировать ]Пусть s — любая положительная константа, пусть (V,+,.) — любое вещественное пространство скалярного произведения и пусть V s = { v ∈ V :| v |<s}. Гировекторное пространство Мёбиуса ( V s , , ) — гирогруппа Мёбиуса ( V s , ) со скалярным умножением, заданным r v = s tanh( r tanh −1 (| v |/ s )) v /| в | где r — любое действительное число, v ∈ V s , v ≠ 0 и r 0 = 0 с обозначением v р = р v .
Скалярное умножение Мёбиуса совпадает со скалярным умножением Эйнштейна (см. раздел выше), и это происходит из-за того, что сложение Мёбиуса и сложение Эйнштейна совпадают для параллельных векторов.
Правильная пространственная модель скоростей и правильное сложение скоростей
[ редактировать ]Правильная модель пространства скоростей гиперболической геометрии задается собственными скоростями со сложением векторов, заданными формулой правильного сложения скоростей: [6] [12] [13]
где бета-фактор, определяемый выражением .
Эта формула обеспечивает модель, использующую все пространство, по сравнению с другими моделями гиперболической геометрии, в которых используются диски или полуплоскости.
Пространство собственных гировекторов скорости представляет собой вещественное внутреннее пространство V с добавлением собственных гирогрупп скорости. и со скалярным умножением, определяемым r v = s sinh( r sinh −1 (| v |/ s )) v /| в | где r — любое действительное число, v ∈ V , v ≠ 0 и r 0 = 0 с обозначением v р = р v .
Изоморфизмы
[ редактировать ]гировекторного пространства Изоморфизм сохраняет сложение гирогрупп, скалярное умножение и скалярное произведение.
Три гировекторных пространства Мёбиуса, Эйнштейна и собственной скорости изоморфны.
Если M, E и U — гировекторные пространства Мёбиуса, Эйнштейна и собственной скорости соответственно с элементами v m , v e и v u, то изоморфизмы задаются формулой:
И Ты по |
В E от |
И М автор |
М E от |
М Ты по |
В М автор |
Из этой таблицы видно соотношение между и определяется уравнениями:
Это связано со связью преобразований Мёбиуса и преобразований Лоренца .
Гиротригонометрия
[ редактировать ]Гиротригонометрия — это использование гироконцепций для изучения гиперболических треугольников .
Гиперболическая тригонометрия, как обычно изучается, использует гиперболические функции cos, sinh и т. д., и это контрастирует со сферической тригонометрией , которая использует евклидовы тригонометрические функции cos, sin, но с тождествами сферического треугольника вместо обычных тождеств плоского треугольника . Гиротригонометрия использует подход, основанный на использовании обычных тригонометрических функций, но в сочетании с тождествами гиротреугольника.
Центры треугольников
[ редактировать ]Изучение центров треугольников традиционно связано с евклидовой геометрией, но центры треугольников также можно изучать в гиперболической геометрии. С помощью гиротригонометрии можно вычислить выражения для тригонометрических барицентрических координат, которые имеют одинаковую форму как для евклидовой, так и для гиперболической геометрии. Чтобы выражения совпадали, они не должны инкапсулировать указание суммы углов, равной 180 градусам. [14] [15] [16]
Сложение гиропараллелограмма
[ редактировать ]С помощью гиротригонометрии можно найти сложение гировектора, работающее по закону гиропараллелограмма. Это дополнение к работе гирогруппы. Сложение гиропараллелограммов коммутативно.
аналогичен Закон гиропараллелограмма закону параллелограмма в том, что гиропараллелограмм представляет собой гиперболический четырехугольник, две гиродиагонали которого пересекаются в своих гиросрединных точках, точно так же, как параллелограмм представляет собой евклидов четырехугольник, две диагонали которого пересекаются в своих средних точках. [17]
Векторы Блоха
[ редактировать ]Векторы Блоха , принадлежащие открытому единичному шару евклидова трехмерного пространства, можно изучать с помощью сложения Эйнштейна. [18] или сложение Мёбиуса. [6]
Обзоры книг
[ редактировать ]Рецензия на одну из ранних книг о гировекторах. [19] говорит следующее:
«За прошедшие годы было предпринято несколько попыток продвигать неевклидов стиль для использования при решении задач в теории относительности и электродинамике, неспособность которых привлечь каких-либо существенных последователей, усугубляемая отсутствием каких-либо положительных результатов, должна заставить задуматься всем, кто задумывался о подобном проекте. До недавнего времени никто не мог предложить усовершенствование инструментов, доступных с 1912 года. В своей новой книге Унгар представляет важнейший недостающий элемент в арсенале неевклидова стиля: элегантный стиль. неассоциативный алгебраический формализм, который полностью использует структуру закона скоростной композиции Эйнштейна». [20]
Примечания и ссылки
[ редактировать ]- ^ Авраам А. Унгар (2005), «Аналитическая гиперболическая геометрия: математические основы и приложения», опубликовано World Scientific, ISBN 981-256-457-8 , ISBN 978-981-256-457-3
- ^ Хуберт Кихле (2002), «Теория K-петлей», опубликовано Springer, ISBN 3-540-43262-0 , ISBN 978-3-540-43262-3
- ^ Лариса Сбитнева (2001), Неассоциативная геометрия специальной теории относительности, Международный журнал теоретической физики, Springer, Том 40, № 1 / январь 2001 г. два : 10.1023/A:1003764217705
- ^ Дж. Лоусон И. Лим (2004), Средства по диадическим наборам симметрии и полярным разложениям, статьи математического семинара Гамбургского университета, Springer, Том 74, № 1 / декабрь 2004 г. два : 10.1007/BF02941530
- ^ Унгар, А.А. (2000). «Гиперболическая тригонометрия в релятивистской скоростной модели Эйнштейна гиперболической геометрии» . Компьютеры и математика с приложениями . 40 (2–3): 313–332 [317]. дои : 10.1016/S0898-1221(00)00163-2 .
- ^ Перейти обратно: а б с Аналитическая гиперболическая геометрия и специальная теория относительности Альберта Эйнштейна , Абрахам А. Унгар, World Scientific, 2008, ISBN 978-981-277-229-9
- ^ Людвик Зильберштейн, Теория относительности, Макмиллан, 1914 г.
- ^ Страница 214, Глава 5, Симплектические матрицы: системы первого порядка и специальная теория относительности, Марк Каудерер, World Scientific, 1994, ISBN 978-981-02-1984-0
- ^ Перейти обратно: а б Унгар А.А.: Парадокс релятивистского состава скоростей и вращение Томаса. Найденный. Физ. 19, 1385–1396 (1989) дои : 10.1007/BF00732759
- ^ Унгар, А.А. (2000). «Релятивистский принцип взаимности составных скоростей». Основы физики . 30 (2). Спрингер: 331–342. CiteSeerX 10.1.1.35.1131 . дои : 10.1023/А:1003653302643 . S2CID 118634052 .
- ^ экв. (55), Вращение Томаса и параметризация группы преобразований Лоренца, А. А. Унгар – Foundations of Physics Letters, 1988
- ^ Прецессия Томаса: ее основные аксиомы гирогруппы и их использование в гиперболической геометрии и релятивистской физике, Абрахам А. Унгар, Основы физики, Vol. 27, № 6, 1997 г. дои : 10.1007/BF02550347
- ^ Унгар, А.А. (2006), «Группа релятивистских преобразований собственных скоростей». Архивировано 25 октября 2017 г. в Wayback Machine , «Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма» , PIER 60 , стр. 85–94, уравнение (12).
- ^ Гиперболические барицентрические координаты , Абрахам А. Унгар, Австралийский журнал математического анализа и приложений, AJMAA, том 6, выпуск 1, статья 18, стр. 1–35, 2009 г.
- ^ Центры гиперболического треугольника: специальный релятивистский подход , Абрахам Унгар, Спрингер, 2010 г.
- ^ Барицентрическое исчисление в евклидовой и гиперболической геометрии: сравнительное введение. Архивировано 19 мая 2012 г. в Wayback Machine , Авраам Унгар, World Scientific, 2010.
- ^ Авраам А. Унгар (2009), «Гировекторный космический подход к гиперболической геометрии», Морган и Клейпул, ISBN 1-59829-822-4 , ISBN 978-1-59829-822-2
- ^ Геометрическое наблюдение за точностью Буреса между двумя состояниями кубита , Цзин-Лин Чен, Либинь Фу, Абрахам А. Унгар, Сянь-Гэн Чжао, Physical Review A, vol. 65, Выпуск 2
- ^ Абрахам А. Унгар (2002), «За пределами закона сложения Эйнштейна и его гироскопической прецессии Томаса: теория гирогрупп и гировекторных пространств», Клювер, ISBN 1-4020-0353-6 , ISBN 978-1-4020-0353-0
- ^ Скотт Уолтер, Основы физики 32: 327–330 (2002). Рецензия на книгу. Архивировано 16 мая 2011 г. в Wayback Machine .
- Доменико Джулини, Алгебраические и геометрические структуры специальной теории относительности , глава в книге «Специальная теория относительности: выживет ли она в следующие 100 лет?», под редакцией Клауса Леммерцаля, Юргена Элерса, Springer, 2006.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- А. А. Унгар (2009). Гировекторы: подход к гиперболической геометрии . Обобщающие лекции по математике и статистике. Издательство Морган и Клейпул. ISBN 978-159-829-822-2 .
- ТМ Рассиас (2000). Математический анализ и приложения . Сборник статей по математике. Адроник Пресс. стр. 307, 326, 336. ISBN. 157-485-045-8 .
- Макс А. Акивис и Владислав В. Гольдберг (2006), Локальные алгебры дифференциальной квазигруппы , Вестник АМН, том 43, номер 2
- Огужан Демирель, Эмине Сойтюрк (2008), Гиперболическая теорема Карно в модели гиперболической геометрии диска Пуанкаре , Novi Sad J. Math. Том. 38, № 2, 2008, 33–39
- М. Феррейра (2008), Сферические непрерывные вейвлет-преобразования, возникающие из сечений группы Лоренца, Прикладной и вычислительный гармонический анализ, Elsevier arXiv : 0706.1956
- Т. Фогель (2000), Комментарий. Математика. унив. Каролина, группы, трансверсали и петли.
- Яаков Фридман (1994), «Ограниченные симметричные области и JB *-тройная структура в физике», Иорданские алгебры: материалы конференции, состоявшейся в Обервольфахе, Германия, 9–15 августа 1992 г., Вильгельм Кауп, Кевин МакКриммон, Хольгер П. Петерссон, Издатель Вальтер де Грюйтер, ISBN 3-11-014251-1 , ISBN 978-3-11-014251-8
- Флориан Гирелли, Этера Р. Ливин (2004), Специальная теория относительности как некоммутативная геометрия: Уроки деформированной специальной теории относительности , Phys. Ред. Д 81, 085041 (2010)
- Седжонг Ким, Джимми Лоусон (2011), Гладкие петли Брука, симметричные пространства и неассоциативные векторные пространства , Demonstratio Mathematica, Vol. XLIV, № 4
- Питер Левай (2003), Геометрическая фаза смешанного состояния на основе вращений Томаса
- Азнив Каспарян, Абрахам А. Унгар, (2004) Гировекторные пространства Ли, J. Geom. Симм. Физика
- Р. Олах-Гал, Дж. Сандор (2009), О тригонометрических доказательствах теоремы Штейнера – Лемуса , Forum Geometricorum, 2009 – forumgeom.fau.edu
- Гонсало Э. Рейес (2003), О законе движения в специальной теории относительности arXiv : физика/0302065
- Кшиштоф Розга (2000), Тихоокеанский математический журнал, Vol. 193, № 1, О центральных расширениях гирокоммутативных гирогрупп.
- Л. В. Сабинин (1995), «О гирогруппах Венгрии». Архивировано 30 августа 2009 г. в Wayback Machine , RUSS MATH SURV, 1995, 50 (5), 1095–1096.
- Л.В. Сабинин, Л.Л. Сабинина, Лариса Сбитнева (1998), Математические уравнения , О понятии гирогруппы
- Л.В. Сабинин, Лариса Сбитнева, И.П. Шестаков (2006), "Неассоциативная алгебра и ее приложения", CRC Press, ISBN 0-8247-2669-3 , ISBN 978-0-8247-2669-0
- Ф. Смарандаш, К. Барбу (2010), Гиперболическая теорема Менелая в модели диска Пуанкаре гиперболической геометрии
- Роман Ульрих Сексл, Хельмут Курт Урбантке, (2001), «Относительность, группы, частицы: специальная теория относительности и релятивистская симметрия в физике поля и элементарных частиц», страницы 141–142, Springer, ISBN 3-211-83443-5 , ISBN 978-3-211-83443-5