Jump to content

Теорема Гурвица (композиционные алгебры)

(Перенаправлено из алгебры Гурвица )

В математике наделенных теорема Гурвица теорема Адольфа Гурвица (1859–1919), опубликованная посмертно в 1923 году, решающая проблему Гурвица для конечномерных унитарных вещественных неассоциативных алгебр, невырожденной положительно определенной квадратичной формой . Теорема утверждает, что если квадратичная форма определяет гомоморфизм положительных действительных чисел в ненулевой части алгебры, то алгебра должна быть изоморфна действительным числам , комплексным числам , кватернионам или октонионам , и что других возможностей нет. Такие алгебры, иногда называемые алгебрами Гурвица , являются примерами композиционных алгебр .

Теория композиционных алгебр впоследствии была обобщена на произвольные квадратичные формы и произвольные поля . [1] Из теоремы Гурвица следует, что мультипликативные формулы для сумм квадратов могут встречаться только в 1, 2, 4 и 8 измерениях, и этот результат первоначально был доказан Гурвицем в 1898 году. Это частный случай проблемы Гурвица , решенной также Радоном (1922) . Последующие доказательства ограничений на размерность были даны Экманом (1943) с использованием теории представлений конечных групп и Ли (1948) и Шевалле (1954) с использованием алгебр Клиффорда . Теорема Гурвица была применена в алгебраической топологии к задачам о векторных полях на сферах и гомотопических группах классических групп. [2] и в квантовой механике к классификации простых йордановых алгебр . [3]

Евклидовы алгебры Гурвица

[ редактировать ]

Определение

[ редактировать ]

Алгебра Гурвица или композиционная алгебра — это конечномерная не обязательно ассоциативная алгебра A с единицей, наделенной невырожденной квадратичной формой q такой, что q ( a b ) = q ( a ) q ( b ) . Если базовое поле коэффициентов является действительным числом и q положительно определенное, так что ( a , b ) = 1/2 делением q [ q ( a + b ) − q ( a ) − или ( b )] является скалярным произведением , то A называется евклидовой алгеброй Гурвица (конечномерной) нормированной алгеброй с . [4]

Если A — евклидова алгебра Гурвица и a находится в A , определите операторы инволюции и правого и левого умножения формулой

Очевидно, что инволюция имеет период два и сохраняет скалярный продукт и норму. Эти операторы обладают следующими свойствами:

  • инволюция является антиавтоморфизмом , т.е. ( ab )* = b * a *
  • аа * = ‖ а 2 1 = а * а
  • L ( a *) = L ( a )* , R ( a *) = R ( a )* , так что инволюция на алгебре соответствует взятию сопряженных
  • Re ( ab ) = Re ( ba ) , если Re x = ( x + x *)/2 = ( x , 1)1
  • Re ( ab ) c знак равно Re а ( bc )
  • Л ( а 2 ) = L ( а ) 2 , Р ( а 2 ) = р ( а ) 2 , так что A является альтернативной алгеброй .

Эти свойства доказываются, начиная с поляризованной версии тождества ( ab , ab ) = ( a , a )( b , b ) :

Установка b = 1 или d = 1 дает L ( a *) = L ( a )* и R ( c *) = R ( c )* .

Следовательно, Re( ab ) = ( ab , 1)1 = ( a , b *)1 = ( ba , 1)1 = Re( ba ) .

Аналогично Re ( ab ) c = (( ab ) c ,1)1 = ( ab , c *)1 = ( b , a * c *)1 = ( bc , a *)1 = ( a ( bc ),1 )1 знак равно Re а ( до н.э. ) .

Следовательно (( ab )*, c) = ( ab , c *) = ( b , a * c *) = (1, b *( a * c *)) = (1, ( b * a *) c * ) = ( b * a *, c ) , так что ( ab )* = b * a * .

Поляризованной ‖a идентичностью 2 ( c , d ) = ( ac , ad ) = ( a * ( ac ), d ) поэтому L ( a *) L ( a ) = L (‖ a 2 ) . Применительно к 1 это дает a * a = ‖ a 2 1 . Замена a на * . дает другую идентичность

Подстановка формулы для a * в L ( a *) L ( a ) = L ( a * a ) дает L ( a ) 2 = L ( а 2 ) . Формула R ( а 2 ) = р ( а ) 2 доказывается аналогично.

Классификация

[ редактировать ]

Обычно проверяется, что действительные числа R , комплексные числа C и кватернионы H являются примерами ассоциативных евклидовых алгебр Гурвица с их стандартными нормами и инволюциями. Более того, существуют естественные включения R C H .

Анализ такого включения приводит к конструкции Кэли–Диксона , формализованной А.А. Альбертом . Пусть A — евклидова алгебра Гурвица, а B — собственная подалгебра с единицей, то есть евклидова алгебра Гурвица сама по себе. Выберите единичный вектор j в A, ортогональный B . Поскольку ( j , 1) = 0 , отсюда следует, что j * = − j и, следовательно, j 2 = −1 . Пусть C — подалгебра, порожденная B и j . Она унитальна и снова является евклидовой алгеброй Гурвица. Он удовлетворяет следующим законам умножения Кэли – Диксона :

B и Bj ортогональны, поскольку j ортогонален B . Если a находится в B , то j a = a * j , поскольку по ортогоналу 0 = 2( j , a *) = ja a * j . Формула инволюции следующая. Показать, что B B j замкнуто относительно умножения Bj = jB . Поскольку Bj ортогонален 1, ( bj )* = − bj .

  • b ( cj ) = ( cb ) j, поскольку ( b , j ) = 0 , так что для x в A , ( b ( cj ), x ) = ( b ( jx ), j ( cj )) = - ( b ( jx ), c ​​*) знак равно -( cb , ( jx )*) знак равно -(( cb ) j , x *) = (( cb ) j , x ) .
  • ( jc ) b = j ( bc ) с сопряженными выше.
  • ( bj )( cj ) = − c * b , поскольку ( b , cj ) = 0, так что для x в A , (( bj )( cj ), x ) = −(( cj ) x *, bj ) = ( bx *, ( cj ) j ) знак равно - ( c * b , x ) .

Наложение мультипликативности нормы на C для a + bj и c + dj дает:

что приводит к

Следовательно, d ( ac ) = ( da ) c , так что B должно быть ассоциативным .

к включению R в C и C в H. Этот анализ применим Взяв O = H H с приведенным выше произведением и скалярным произведением, получим некоммутативную неассоциативную алгебру, порожденную J = (0, 1) . Это восстанавливает обычное определение октонионов или чисел Кэли . Если A евклидова алгебра, она должна содержать R. — Если он строго больше R , приведенный выше аргумент показывает, что он C. содержит Если он больше C содержит H. , он Если он еще больше, он должен содержать O . Но на этом процесс должен остановиться, потому что О не ассоциативно. На самом деле H не коммутативен и a ( bj ) = ( ba ) j ≠ ( ab ) j в O . [5]

Теорема. Единственными евклидовыми алгебрами Гурвица являются действительные числа, комплексные числа, кватернионы и октонионы.

Другие доказательства

[ редактировать ]

доказательствах Ли (1948) и Шевалле (1954) используются алгебры Клиффорда , чтобы показать, что размерность N A В должна быть 1, 2, 4 или 8. Фактически операторы L ( a ) с ( a , 1) = 0 удовлетворяют Л ( а ) 2 = −‖ а 2 и таким образом образуют настоящую алгебру Клиффорда. Если a — единичный вектор, то L ( a ) кососопряжен с квадратом I . Таким образом, N должно быть либо четным , либо 1 (в этом случае A не содержит единичных векторов, ортогональных 1). Вещественная алгебра Клиффорда и ее комплексификация действуют на комплексификацию A , N -мерного комплексного пространства. Если N четно, N − 1 нечетно , поэтому алгебра Клиффорда имеет ровно два комплексных неприводимых представления размерности 2. Н /2 − 1 . эта степень 2 должна делить N. Итак , Легко видеть, что это означает, что N может быть только 1, 2, 4 или 8.

Доказательство Экмана (1943) использует теорию представлений конечных групп или проективную теорию представлений элементарных абелевых 2-групп , которая, как известно, эквивалентна теории представлений вещественных алгебр Клиффорда. , взятие ортонормированного базиса ei = ортогонального дополнения к 1 приводит к появлению операторов U i ( L Действительно e i ) удовлетворяющий

Это проективное представление прямого произведения N − 1 групп порядка 2. ( Предполагается, что N больше 1.) Операторы U i по построению кососимметричны и ортогональны. На самом деле Экман построил операторы этого типа несколько иным, но эквивалентным способом. Фактически, именно этому методу первоначально следовал Гурвиц (1923) . [6] Предположим, что существует закон композиции двух форм.

где z i билинейна по x и y . Таким образом

где матрица T ( x ) = ( a ij ) линейна по x . Приведенные выше соотношения эквивалентны

Письмо

отношения становятся

Теперь установим V i = ( T N ) т Т я . Таким образом, V N = I и V 1 , ... , V N − 1 кососопряжены, ортогональны и удовлетворяют точно тем же соотношениям, что и U i :

Поскольку V i ортогональная матрица с квадратом I в вещественном векторном пространстве , N четно.

Пусть G — конечная группа, порожденная элементами v i такими, что

где ε является центральным , порядка 2. Коммутант [ G , G ] только что образован из 1 и ε . Если N нечетно, это совпадает с центром , а если N четно, то центр имеет порядок 4 с дополнительными элементами γ = v 1 ... v N − 1 и ε γ . Если элемент g в G не находится в центре, его класс сопряженности равен в точности g и εg . Таким образом, существуют 2 Н - 1 + 1 класс сопряжения для N нечетных и 2 Н - 1 +2 за N даже. G имеет | г / [ г , г ] | = 2 Н - 1 Одномерные комплексные представления. Общее число неприводимых комплексных представлений равно числу классов сопряженности. Итак, поскольку N четно, есть еще два неприводимых комплексных представления. Так как сумма квадратов размеров равна | г | и размеры делятся | г | , две неприводимые должны иметь размерность 2 ( Н − 2)/2 . Когда N четно, их два, и их размерность должна делить порядок группы, как и степень двойки, поэтому они оба должны иметь размерность 2. ( Н − 2)/2 . Пространство, на котором действуют Ви , может быть комплексизовано. будет иметь комплексную размерность N. Он Он распадается на несколько комплексных неприводимых представлений G , все из которых имеют размерность 2. ( Н − 2)/2 . В частности, это измерение N , поэтому N меньше или равно 8. Если N = 6 , размерность равна 4, что не делит 6. Таким образом, N может быть только 1, 2, 4 или 8.

Приложения к йордановым алгебрам

[ редактировать ]

Пусть A — евклидова алгебра Гурвица, и пусть n ( A ) алгебра n -x n матриц над A. M Это неассоциативная алгебра с единицей с инволюцией, заданной формулой

След Tr( X ) определяется как сумма диагональных элементов X и вещественного следа по формуле Тр р ( Икс ) знак равно Ре Тр( Икс ) . След с действительным знаком удовлетворяет:

Это непосредственные следствия известных тождеств для n = 1 .

В A определите ассоциатор как

Он трилинейен и тождественно обращается в нуль, если A ассоциативен. Поскольку A альтернативная алгебра, [ a , a , b ] = 0 и [ b , a , a ] = 0 . Из поляризации следует, что ассоциатор антисимметричен в своих трех элементах. Более того, если a , b или c лежат в R , то [ a , b , c ] = 0 . Из этих фактов следует, что M 3 ( A ) обладает определенными коммутационными свойствами. Фактически, если X — матрица из M 3 ( A ) с вещественными элементами на диагонали, то

с а в А. ​Фактически, если Y = [ X , X  2 ] , затем

Поскольку диагональные элементы X действительны, недиагональные элементы Y исчезают. Каждая диагональзапись Y представляет собой сумму двух ассоциаторов, включающих только недиагональные члены X . Поскольку ассоциаторы инвариантны относительно циклических перестановок , все диагональные элементы Y равны.

Пусть H n ( A ) — пространство самосопряженных элементов в M n ( A ) с произведением X Y = 1 / 2 ( Икс Y + Y Икс ) и внутренний продукт ( Икс , Y ) знак равно Tr р ( Икс Y ) .

Теорема. H n ( A ) является евклидовой йордановой алгеброй, если A ассоциативна (действительные числа, комплексные числа или кватернионы) и n ≥ 3 или если A неассоциативна (октонионы) и n = 3 .

Исключительная O йордановая алгебра H3 А.А. ( ) по называется алгеброй Альберта имени Альберта .

Чтобы проверить, что H n ( A ) удовлетворяет аксиомам евклидовой йордановой алгебры, действительный след определяет симметричную билинейную форму с ( X , X ) = Σ ‖ x ij 2 . Итак, это внутренний продукт. Он удовлетворяет свойству ассоциативности ( Z X , Y ) = ( X , Z Y ) из-за свойств реального следа. Основная аксиома, которую необходимо проверить, — это условие Жордана для операторов L ( X ), определяемых формулой L ( X ) Y = X Y :

Это легко проверить, когда A ассоциативна, поскольку M n ( A ) — ассоциативная алгебра, а значит, йордановая алгебра с X Y = 1 / 2 ( Икс Y + Y Икс ) . Когда A = O и n = 3, требуется специальный аргумент, один из самых коротких принадлежит Фрейденталю (1951) . [7]

Фактически, если T находится в H 3 ( O ) с Tr T = 0 , то

определяет кососопряженный вывод H 3 ( O ) . Действительно,

так что

Поляризационная доходность:

Установка Z = 1 показывает, что D кососопряжен. Отсюда следует свойство вывода D ( X Y ) = D ( X ) ∘ Y + X D ( Y ) и свойство ассоциативности скалярного произведения в приведенном выше тождестве.

С A и n как в формулировке теоремы, пусть K будет группой автоморфизмов E = , H n ( A ) , оставляющих инвариантным скалярное произведение. Это замкнутая подгруппа группы O ( E ), поэтому компактная группа Ли . Ее алгебра Ли состоит из кососопряженных дифференцирований. Фрейденталь (1951) показал, что для данного X в E существует автоморфизм k в K такой, что k ( X ) является диагональной матрицей . (Ввиду самосопряженности диагональные элементы будут действительными.) Из теоремы о диагонализации Фрейденталя немедленно следует условие Жордана, поскольку йордановые произведения на вещественные диагональные матрицы коммутируют на M n ( A ) для любой неассоциативной алгебры A .

Чтобы доказать теорему о диагонализации, возьмем X из E . По компактности k можно выбрать в K, минимизируя суммы квадратов норм недиагональных членов k ( X ) . Поскольку K сохраняет суммы всех квадратов, это эквивалентно максимизации сумм квадратов норм диагональных членов k ( X ) . Заменяя X на k X , можно считать, что максимум достигается при X . Поскольку симметрическая группа Sn x , действующая перестановкой координат, лежит в K , то если X не диагональна, то можно считать, что 12 и сопряженный к ней x 21 отличны от нуля. Пусть T — кососопряженная матрица с (2, 1) элементом a , (1, 2) элементом a * и 0 в другом месте, и пусть D — вывод ad T матрицы E . Пусть k t = exp tD в K . первые два диагональных элемента в X ( t ) = k t X отличаются от элементов X. Тогда только Диагональные записи настоящие. Производная x 11 ( t ) в t = 0 является (1, 1) координатой [ T , X ] , т.е. a * x 21 + x 12 a = 2( x 21 , a ) . Эта производная отлична от нуля, если a = x 21 . С другой стороны, группа k t сохраняет вещественный след. Поскольку оно может измениться только x 11 и x 22 , он сохраняет их сумму. Однако на линии x + y = константа x 2 + и 2 не имеет локального максимума (только глобальный минимум), противоречие. Следовательно, X должен быть диагональным.

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: dcec8010443080b7323eadd97b0e9725__1721271540
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/dc/25/dcec8010443080b7323eadd97b0e9725.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hurwitz's theorem (composition algebras) - 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.)