stringtranslate.com

Гировекторное пространство

Гировекторное пространство — это математическая концепция, предложенная Авраамом А. Унгаром для изучения гиперболической геометрии по аналогии с тем, как векторные пространства используются в евклидовой геометрии . [1] Унгар ввел концепцию гировекторов, которые имеют сложение, основанное на гироскопах, вместо векторов, которые имеют сложение, основанное на группах . Унгар разработал свою концепцию как инструмент для формулировки специальной теории относительности в качестве альтернативы использованию преобразований Лоренца для представления композиций скоростей (также называемых усилениями — «усиления» являются аспектами относительных скоростей и не должны путаться с « трансляциями »). Это достигается путем введения «гироскопических операторов»; два трехмерных вектора скорости используются для построения оператора, который действует на другую трехмерную скорость.

Имя

Гирогруппы — это слабо ассоциативные 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 тип цикла Бола . Гирокоммутативные гирогруппы эквивалентны циклам К [2], хотя определяются по-разному. Термины цикл Брука [3] и диадический симсет [4] также используются.

Математика гировекторных пространств

Гирогруппы

Аксиомы

Гирогруппа ( G , ) состоит из базового множества G и бинарной операции, удовлетворяющей следующим аксиомам:

  1. В G имеется по крайней мере один элемент 0, называемый левой единицей, при этом 0 a = a для всех a из G.
  2. Для каждого элемента a в G существует элемент a в G, называемый левым обратным к a, при этом ( a ) a = 0.
  3. 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 ( b c ) = ( a b ) gyr[ a , b ] c
  4. Отображение gyr[ a , b ]: GG, 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 ab в G. Операция gyr: G  ×  G  → Aut( G ,  ) называется гиратором группы G.
  5. Гироавтоморфизм gyr[ a , b ] имеет свойство левой петли gyr[ a , b ] = gyr[ a b , b ]

Первая пара аксиом подобна групповым аксиомам. Последняя пара представляет аксиомы гиратора, а средняя аксиома связывает две пары.

Поскольку гирогруппа имеет обратные элементы и тождество, она может быть квалифицирована как квазигруппа и петля .

Гирогруппы являются обобщением групп . Каждая группа является примером гирогруппы с gyr[ a , b ] , определенной как тождественное отображение для всех a и b в G.

Пример конечной гирогруппы приведен в [5] .

Идентичности

Вот некоторые тождества, которые выполняются в любой гирогруппе ( G , ):

  1. (вращение)
  2. (левая ассоциативность)
  3. (правая ассоциативность)

Кроме того, можно доказать закон инверсии гирации, который является мотивацией для определения гирокоммутативности ниже:

  1. (закон инверсии гирации)

Некоторые дополнительные теоремы, которым удовлетворяет группа гирации любой гирогруппы, включают:

  1. (изменения идентичности)
  2. (закон инверсии гироавтоморфизма)
  3. (свойство равномерного вращения)
  4. (свойство правого цикла)
  5. (свойство левого цикла)

Больше тождеств приведено на странице 50 [6] . Одним из особенно полезных следствий приведенных выше тождеств является то, что гирогруппы удовлетворяют левому свойству Бола

Гирокоммутативность

Гирогруппа (G, ) является гирокоммутативной , если ее бинарная операция подчиняется гирокоммутативному закону: a b = gyr[ a , b ]( b a ). Для релятивистского сложения скоростей эта формула, показывающая роль вращения, связывающего a  +  b и b  +  a, была опубликована в 1914 году Людвиком Зильберштейном . [7] [8]

Коприсоединение

В каждой гирогруппе можно определить вторую операцию, называемую косложением : a b = a gyr[ a , b ] b для всех a , b  ∈  G. Косложение коммутативно, если сложение гирогруппы гирокоммутативно.

Модель диска/шара Бельтрами–Клейна и дополнение Эйнштейна

Релятивистские скорости можно рассматривать как точки в модели Бельтрами–Клейна гиперболической геометрии, и поэтому сложение векторов в модели Бельтрами–Клейна можно задать с помощью формулы сложения скоростей . Для того чтобы формула обобщалась на сложение векторов в гиперболическом пространстве размерностей больше 3, формула должна быть записана в форме, которая избегает использования перекрестного произведения в пользу скалярного произведения .

В общем случае сложение скоростей Эйнштейна двух скоростей 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» — это математическая абстракция прецессии Томаса в оператор, называемый гирацией Томаса и заданный как

для всех w . Прецессия Томаса имеет интерпретацию в гиперболической геометрии как отрицательный дефект гиперболического треугольника .

Состав преобразования Лоренца

Если матричная форма вращения 3 × 3, примененная к 3-координатам, задается как gyr[ u , v ], то матричное вращение 4 × 4, примененное к 4-координатам, задается как:

. [9]

Композиция двух Лоренцевых усилений B( u ) и B( v ) скоростей u и v определяется по формуле: [9] [10]

Тот факт, что можно использовать либо B( u v ), либо B( v u ) в зависимости от того, записываете ли вы вращение до или после, объясняет парадокс композиции скоростей .

Композиция двух преобразований Лоренца L( u ,U) и L( v ,V), включающая вращения U и V, задается формулой: [11]

В приведенном выше примере усиление можно представить в виде матрицы 4 × 4. Матрица усиления B( v ) означает усиление B, которое использует компоненты v , то есть v 1 , v 2 , v 3 в записях матрицы, или, скорее, компоненты v / c в представлении, которое используется в разделе Преобразование Лоренца#Формы матриц . Записи матрицы зависят от компонентов 3-скорости v , и именно это означает обозначение B( v ). Можно утверждать, что записи зависят от компонентов 4-скорости, потому что 3 из записей 4-скорости совпадают с записями 3-скорости, но полезность параметризации усиления 3-скоростью заключается в том, что результирующее усиление, которое вы получаете из композиции двух усилений, использует компоненты композиции 3-скорости u v в матрице 4 × 4 B( u v ). Но полученный буст также необходимо умножить на матрицу поворота, поскольку композиция буста (т. е. умножение двух матриц 4 × 4) приводит не к чистому бусту, а к бусту и повороту, т. е. к матрице 4 × 4, которая соответствует повороту Gyr[ u , v ], чтобы получить B( u )B( v ) = B( u v )Gyr[ u , v ] = Gyr[ u , v ]B( v u ).

Гировекторные пространства Эйнштейна

Пусть s — любая положительная константа, пусть (V,+,.) — любое действительное пространство скалярного произведения и пусть V s = { v  ∈ V :| v |<s}. Гировекторное пространство Эйнштейна ( V s ,  ,  ) — это гирогруппа Эйнштейна ( V s ,  ) со скалярным умножением, заданным формулой r v  =  s  tanh( r  tanh −1 (| v |/ s )) v /| v |, где r — любое действительное число, v  ∈  V s , v  ≠  0 и r 0  =  0 с обозначением v r  =  r v .      

Скалярное умножение Эйнштейна не распространяется относительно сложения Эйнштейна , за исключением случая , когда гировекторы коллинеарны (монодистрибутивность), но оно обладает другими свойствами векторных пространств: для любого положительного целого числа n и для всех действительных чисел r , r1 , r2 и v  ∈  Vs :

Модель диска/шара Пуанкаре и сложение Мёбиуса

Преобразование Мёбиуса открытого единичного круга в комплексной плоскости задается полярным разложением

[ требуется ссылка ] [ требуется пояснение ] что можно записать как что определяет сложение Мёбиуса .

Для обобщения этого на более высокие измерения комплексные числа рассматриваются как векторы на плоскости , а сложение Мёбиуса переписывается в векторной форме следующим образом:

Это дает векторное сложение точек в модели шара Пуанкаре гиперболической геометрии, где радиус s=1 для комплексного единичного круга теперь становится любым s>0.

Гировекторные пространства Мёбиуса

Пусть s — любая положительная константа, пусть (V,+,.) — любое действительное пространство скалярного произведения и пусть V s = { v  ∈ V :| v |<s}. Гировекторное пространство Мёбиуса ( V s ,  ,  ) — это гирогруппа Мёбиуса ( V s ,  ) со скалярным умножением, заданным формулой r v  =  s  tanh( r  tanh −1 (| v |/ s )) v /| v |, где r — любое действительное число, v  ∈  V s , v  ≠  0 и r 0  =  0 с обозначением v r  =  r v .       

Скалярное умножение Мёбиуса совпадает со скалярным умножением Эйнштейна (см. раздел выше), и это вытекает из совпадения сложения Мёбиуса и сложения Эйнштейна для векторов, которые параллельны.

Правильная модель пространства скоростей и правильное сложение скоростей

Правильная модель пространства скоростей гиперболической геометрии задается правильными скоростями с векторным сложением, заданным формулой правильного сложения скоростей: [6] [12] [13]

где бета-фактор определяется выражением .

Эта формула дает модель, которая использует целое пространство по сравнению с другими моделями гиперболической геометрии, которые используют диски или полуплоскости.

Собственное пространство гировекторов скоростей — это действительное пространство скалярного произведения V с собственным сложением гировекторов скоростей и скалярным умножением, определяемым как r v  =  s  sinh( r  sinh −1 (| v |/ s )) v /| v |, где r — любое действительное число, v  ∈  V , v  ≠  0 и r 0  =  0 с обозначением v r  =  r v .       

Изоморфизмы

Изоморфизм гировекторного пространства сохраняет сложение гирогрупп, скалярное умножение и скалярное произведение.

Три гировекторных пространства Мёбиуса, Эйнштейна и собственной скорости изоморфны.

Если M, E и U являются гировекторными пространствами Мёбиуса, Эйнштейна и собственной скорости соответственно с элементами v m , v e и v u , то изоморфизмы задаются следующим образом:

Из этой таблицы связь между и определяется уравнениями:

Это связано со связью преобразований Мёбиуса и преобразований Лоренца .

Гиротригонометрия

Гиротригонометрия — это использование гироскопических понятий для изучения гиперболических треугольников .

Гиперболическая тригонометрия, как обычно изучают, использует гиперболические функции cosh, 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, заключающийся в использовании обычных тригонометрических функций, но в сочетании с тождествами гиротреугольника.

Треугольные центры

Изучение центров треугольников традиционно связано с евклидовой геометрией, но центры треугольников можно изучать и в гиперболической геометрии. Используя гиротригонометрию, можно вычислить выражения для тригонометрических барицентрических координат, которые имеют одинаковую форму как для евклидовой, так и для гиперболической геометрии. Для того чтобы выражения совпадали, они не должны включать в себя спецификацию суммы углов, равную 180 градусам. [14] [15] [16]

Сложение гиропараллелограмма

Используя гиротригонометрию, можно найти сложение гировекторов, которое действует по закону гиропараллелограмма. Это косложение к операции гирогруппы. Сложение гиропараллелограмма коммутативно.

Закон гиропараллелограмма похож на закон параллелограмма тем, что гиропараллелограмм — это гиперболический четырехугольник, две гиродиагонали которого пересекаются в своих гиромедиальных точках, точно так же, как параллелограмм — это евклидов четырехугольник, две диагонали которого пересекаются в своих серединах. [17]

Векторы Блоха

Векторы Блоха, принадлежащие открытому единичному шару евклидова 3-мерного пространства, можно изучать с помощью сложения Эйнштейна [18] или сложения Мёбиуса [6] .

Обзоры книг

В обзоре одной из ранних книг по гировекторам [19] говорится следующее:

«На протяжении многих лет было предпринято несколько попыток популяризации неевклидова стиля для использования в решении задач в теории относительности и электродинамике, но неудача этих попыток в привлечении сколько-нибудь существенных последователей, усугубленная отсутствием каких-либо положительных результатов, должна заставить задуматься любого, кто рассматривает возможность подобного начинания. До недавнего времени никто не был в состоянии предложить улучшение инструментов, доступных с 1912 года. В своей новой книге Унгар представляет важнейший недостающий элемент из арсенала неевклидова стиля: элегантный неассоциативный алгебраический формализм, который полностью использует структуру закона сложения скоростей Эйнштейна». [20]

Примечания и ссылки

  1. ^ 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 
  2. ^ Хуберт Кихле (2002), «Теория K-петлей», опубликовано Springer, ISBN 3-540-43262-0 , ISBN 978-3-540-43262-3  
  3. ^ Лариса Сбитнева (2001), Неассоциативная геометрия специальной теории относительности, Международный журнал теоретической физики, Springer, том 40, № 1 / январь 2001 г. doi :10.1023/A:1003764217705
  4. ^ Дж. Лоусон И. Лим (2004), Средства для диадических множеств симметрии и полярных разложений, Abhandlungen aus dem Mathematischen Seminar der Universität Hamburg, Springer, Vol.74, No.1 / декабрь 2004 г. doi : 10.1007/BF02941530
  5. ^ Унгар, АА (2000). «Гиперболическая тригонометрия в модели релятивистской скорости Эйнштейна гиперболической геометрии». Компьютеры и математика с приложениями . 40 (2–3): 313–332 [317]. doi :10.1016/S0898-1221(00)00163-2.
  6. ^ abc Аналитическая гиперболическая геометрия и специальная теория относительности Альберта Эйнштейна, Авраам А. Унгар, World Scientific, 2008, ISBN 978-981-277-229-9 
  7. Людвик Зильберштейн, Теория относительности, Macmillan, 1914
  8. Страница 214, Глава 5, Симплектические матрицы: системы первого порядка и специальная теория относительности, Марк Каудерер, World Scientific, 1994, ISBN 978-981-02-1984-0 
  9. ^ ab Ungar, A. A: Парадокс релятивистского состава скоростей и вращение Томаса. Found. Phys. 19, 1385–1396 (1989) doi :10.1007/BF00732759
  10. ^ Унгар, А.А. (2000). «Принцип взаимности релятивистской составной скорости». Основы физики . 30 (2). Springer: 331–342. Bibcode :2000FoPh...30..331U. CiteSeerX 10.1.1.35.1131 . doi :10.1023/A:1003653302643. S2CID  118634052. 
  11. ^ ур. (55), Вращение Томаса и параметризация группы преобразований Лоренца, AA Ungar – Foundations of Physics Letters, 1988
  12. ^ Томасовская прецессия: ее базовые аксиомы гирогруппы и их использование в гиперболической геометрии и релятивистской физике, Авраам А. Унгар, Основы физики, т. 27, № 6, 1997 doi :10.1007/BF02550347
  13. ^ Унгар, А.А. (2006), «Группа релятивистских преобразований собственной скорости». Архивировано 25 октября 2017 г. в Wayback Machine , Progress in Electromagnetics Research , PIER 60 , стр. 85–94, уравнение (12)
  14. ^ Гиперболические барицентрические координаты, Авраам А. Унгар, Австралийский журнал математического анализа и приложений, AJMAA, том 6, выпуск 1, статья 18, стр. 1–35, 2009 г.
  15. ^ Гиперболические треугольные центры: специальный релятивистский подход, Авраам Унгар, Springer, 2010
  16. ^ Барицентрическое исчисление в евклидовой и гиперболической геометрии: сравнительное введение. Архивировано 19 мая 2012 г. на Wayback Machine , Авраам Унгар, World Scientific, 2010 г.
  17. ^ Авраам А. Унгар (2009), «Подход к гиперболической геометрии с использованием пространства гироскопов», Морган и Клейпул, ISBN 1-59829-822-4 , ISBN 978-1-59829-822-2  
  18. ^ Геометрическое наблюдение за точностью Буреса между двумя состояниями кубита, Цзин-Лин Чен, Либин Фу, Абрахам А. Унгар, Сянь-Гэн Чжао, Physical Review A, т. 65, выпуск 2
  19. ^ Авраам А. Унгар (2002), «За пределами закона сложения Эйнштейна и его гироскопической прецессии Томаса: теория гирогрупп и гировекторных пространств», Kluwer, ISBN 1-4020-0353-6 , ISBN 978-1-4020-0353-0  
  20. ^ Скотт Уолтер, Основы физики 32:327–330 (2002). Обзор книги Архивировано 2011-05-16 в Wayback Machine ,

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки