Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

11: Кватерніони

Кватерніони були винайдені сером Вільямом Роуеном Гамільтоном приблизно в 1850 році. Гамільтон, мабуть, першим зазначив, що комплексні числа можна розглядати як спосіб множення точок на площині. Тоді він мав ідею спробувати знайти спосіб помножити точки,R3 щоб польові аксіоми були задоволені. Він не зміг цього зробити, але нарешті знайшов спосіб визначити множення наR4 так, щоб множення разом зі звичайним векторним додаванням елементівR4 задовольняло б всі польові аксіоми, крім комутативності множення. Він назвав ці нові об'єкти кватерніонами. Вони виявилися, як і складні числа, мають безліч застосувань в техніці та фізиці. Ця «система числення» позначаєтьсяH для Гамільтона, оскільки вжеQ прийнято позначати раціональні числа.

Визначення 11.1:

Кільце кватерніонів - це кільце,(H,+,) деH=R4={(a,b,c,d) | a,b,c,dR}

+ і де і визначаються правилами:(x,y,z,w)+(a,b,c,d)=(x+a,y+b,z+c,w+d)(x,y,z,w)(a,b,c,d)=(xaybzcwd,xb+ya+zdwc,xcyd+za+wb,xd+yczb+wa)
деx,y,z,w,a,b,c,dR. Додавання і множення всередині 4-кортежі праворуч представляють додавання і множення вR.

Заявлені таким чином правила множення важко запам'ятати. Існує простіший спосіб описати їх:1=(1,0,0,0)i=(0,1,0,0)j=(0,0,1,0)k=(0,0,0,1)

Зауважте, що тут ми трохи ліниві, дозволяючи 1 стояти як для вектора, так(1,0,0,0) і для дійсного числа 1. Множина{1,i,j,k} - це те, що називається в лінійній алгебрі основою дляR4. Це означає, що якщо ми визначимо дляaR і(x,y,z,w)R4 скалярний за векторнимa(x,y,z,w)=(ax,ay,az,aw),
добутком, кватерніонq=(x,y,z,w) може бути записаний однозначно у форміq=x1+yi+zj+wk.
Тепер, якщо ми скорочуємоx=x1, кватерніон набуває вигляду.q=x+yi+zj+wk.
Доповнення тепер стає(x+yi+zj+wk)+(a+bi+cj+dk)=(x+a)+(y+b)i+(z+c)j+(w+d)k.
Продуктами базових елементів1,i,j,k визначаються наступним чином:1q=q1=q for all qH,
i2=j2=k2=1,
ij=ji=k,
jk=kj=i,
ki=ik=j.
Використовуючи ці правила, розподільний закон, і той факт, що якщоq1 іq2 є кватерніонів іaR потімa(q1q2)=(aq1)q2=q1(aq2),
легко обчислює добуток двох кватерніонівq1=x+yi+zj+wk іq2=a+bi+cj+dk.

Завдання 11.1 Використовуйте вищевказані правила для розрахункуq1q2 добутку кватерніонівq1=1+i+2j+3k іq2=1i2j3k. Напишіть товар в стандартному виглядіa+bi+cj+dk, деa,b,c,dR.

Завдання 11.2 Показати, що(1,0,0,0) діє як ідентичність дляH іH це не комутативне кільце.

Завдання 11.3 Показати, що кватерніонq=x+yi+zj+wk має зворотну, задану,q=c(xyizjwk) де цеc=1/(x2+y2+z2+w2) передбаченоq0. Ось0=(0,0,0,0).

Завдання 11.4 Покажіть, що є нескінченно багато кватерніонів, щоq задовольняютьq2=1. Підказка: розглянемо кватерніони формиq=xi+yj+zk.

Задача 11.5 Показати, що 8 елементів,Q={1,1,i,i,j,j,k,k}

встановлених при множенні кватерніону, є групою. Це одна з п'яти неізоморфних груп порядку 8. Називається вона, природно, кватерніонной групою.

Визначення 11.2

Кільце, яке задовольняє всі польові аксіоми, за винятком, можливо, комутативності множення, називається кільцем ділення.

Зауважте, що кільце ділення може бути визначено як кільце, ненульові елементи якого утворюють групу, що підлягає множенню. Всі поля є кільцями поділу. Комутативне кільце, яке є кільцем поділу, є полем.

Теорема11.1

Hявляє собою ділильне кільце.

Доказ. З лінійної алгебри ми вже знаємо, що векторне додавання наR4 є абелевою групою. З наведених вище проблем ми знаємо, щоH має ідентичність і кожен ненульовий елемент має зворотний. Залишається тільки довести асоціативність для множення і два розподільних закони. Докази цих властивостей прості, і ми залишаємо їх для зацікавленого читача.

Кільце кватерніонів - один з рідкісних прикладів некомутативного ділення кільця. Наступна теорема показує, чому Гамільтон мав труднощі з пошуком ділення кільця, основна множина якого єR3.

Теорема11.2 (Frobenius)

DДозволяти ділення кільце, яке є алгебраїчним надR. ТодіD ізоморфний доRC, абоH.

Див. Розділ 7, щоб побачити, що означає бути алгебраїчнимR і як довести цю теорему. Цей результат означає, що не існує «приємного» способу визначення множення,Rn щоб воно стало кільцем ділення, якщо тількиn{1,2,4}. Є багато цікавих і корисних способів зробитиRn кільце, яке не є діленням кільця для інших значеньn. Однак ми не встигаємо вдаватися в ці справи.

Проблема 11.6 ВизначитиH={(z¯ww¯z) | z,wC}.

  1. Доведіть, щоH це підрядний кільце кільцяM2(C).
  2. Доведіть, щоH це ділення кільце. Підказка: достатньо показати, що кожна ненульова матриця вH має зворотну, яка також знаходиться вH.
  3. Визначаємо матриці1=(1001),I=(i00i),J=(0ii0),K=(0110)
    1. Показати, що кожен елементH може бути записаний у вигляді:a1+bI+cJ+dK
      деa,b,c,dR.
    2. Покажіть, щоI2=J2=K2=1,
      IJ=K,JI=K,
      JK=I,KJ=I,
      KI=J,IK=J

Зауваження

Перевіряти його не потрібно, але з цього випливає, щоHH.