stringtranslate.com

Группа кватернионов

Диаграмма цикла Q 8 . Каждый цвет определяет ряд степеней любого элемента, связанного с единичным элементом e = 1. Например, цикл красного цвета отражает тот факт, что i 2 = e , i 3 = i и i 4 = e. Красный цикл также отражает, что i 2 = e , i 3 = i и i 4 = e.

В теории групп группа кватернионов Q 8 (иногда просто обозначаемая Q) — неабелева группа восьмого порядка , изоморфная восьмиэлементному подмножеству кватернионов при умножении. Она задается групповым представлением

где e — единичный элемент, а e коммутирует с другими элементами группы. Эти соотношения, открытые У. Р. Гамильтоном , также порождают кватернионы как алгебру над действительными числами.

Другая презентация Q 8 :

Как и многие другие конечные группы, она может быть реализована как группа Галуа определенного поля алгебраических чисел . [1]

По сравнению с диэдральной группой

Группа кватернионов Q 8 имеет тот же порядок, что и диэдральная группа D 4 , но другую структуру, как показывают их графы Кэли и циклы:

На диаграммах для D 4 элементы группы отмечены их действием на букву F в определяющем представлении R 2 . То же самое нельзя сделать для Q 8 , поскольку он не имеет точного представления в R 2 или R 3 . D 4 можно реализовать как подмножество расщепленных кватернионов таким же образом, как Q 8 можно рассматривать как подмножество кватернионов.

Таблица Кейли

Таблица Кэли (таблица умножения) для Q 8 имеет вид: [2]

Характеристики

Элементы i , j и k имеют порядок четыре в Q 8 , и любые два из них генерируют всю группу. Другое представление Q 8 [3], основанное только на двух элементах, чтобы обойти эту избыточность, выглядит так:

Например, записывая элементы группы в лексикографически минимальных нормальных формах, можно определить:

Группа кватернионов обладает необычным свойством быть гамильтоновой : Q 8 неабелева, но каждая подгруппа нормальна . [4] Каждая гамильтонова группа содержит копию Q 8 . [5]

Группа кватернионов Q 8 и диэдральная группа D 4 являются двумя наименьшими примерами нильпотентной неабелевой группы.

Центр и коммутаторная подгруппа Q 8 — это подгруппа . Внутренняя группа автоморфизмов Q 8 задается группой по модулю ее центра, т.е. фактор-группой , которая изоморфна четверной группе Клейна V. Полная группа автоморфизмов Q 8 изоморфна S 4 , симметрической группе по четырем буквам (см. Матричные представления ниже), а внешняя группа автоморфизмов Q 8 — это, таким образом, S 4 /V , которая изоморфна S 3 .

Группа кватернионов Q 8 имеет пять классов сопряженности и, следовательно, пять неприводимых представлений над комплексными числами с размерностями 1, 1, 1, 1, 2:

Тривиальное представление .

Представления знаков с i, j, k-ядром : Q 8 имеет три максимальные нормальные подгруппы: циклические подгруппы, порожденные i, j и k соответственно. Для каждой максимальной нормальной подгруппы N мы получаем одномерное представление, факторизующееся через 2-элементную факторгруппу G / N . Представление переводит элементы N в 1, а элементы вне N в −1.

Двумерное представление : Описано ниже в разделе Матричные представления . Оно не реализуемо над действительными числами , но является комплексным представлением: в действительности, это просто кватернионы, рассматриваемые как алгебра над , а действие — это левое умножение на .

Таблица символов Q 8 оказывается такой же, как и у D 4 :

Тем не менее, все неприводимые характеры в строках выше имеют действительные значения, это дает разложение действительной групповой алгебры на минимальные двусторонние идеалы :

где идемпотенты соответствуют неприводимым:

так что

Каждый из этих неприводимых идеалов изоморфен действительной центральной простой алгебре , первые четыре — действительному полю . Последний идеал изоморфен телу кватернионов соответствием:

Более того, проекционный гомоморфизм, заданный формулой, имеет ядерный идеал, порожденный идемпотентом:

поэтому кватернионы также могут быть получены как фактор-кольцо . Обратите внимание, что это неприводимо как вещественное представление , но распадается на две копии двумерного неприводимого при расширении до комплексных чисел. Действительно, комплексная групповая алгебра имеет вид , где — алгебра бикватернионов .

Матричные представления

Таблица умножения группы кватернионов как подгруппы SL (2, C ). Элементы представлены секторами, соответствующими их аргументам: 1 (зеленый), i (синий), −1 (красный), − i (желтый).

Двумерное неприводимое комплексное представление, описанное выше, дает группу кватернионов Q 8 как подгруппу общей линейной группы . Группа кватернионов является мультипликативной подгруппой алгебры кватернионов:

которое имеет регулярное представление левым умножением на себя, рассматриваемое как комплексное векторное пространство с базисом, так что соответствует -линейному отображению. Результирующее представление

определяется по формуле:

Поскольку все вышеперечисленные матрицы имеют единичный определитель, это представление Q 8 в специальной линейной группе . [6]

Вариант дает представление унитарными матрицами (таблица справа). Пусть соответствует линейному отображению, так что задается как:

Стоит отметить, что физики используют исключительно другое соглашение для представления матриц, чтобы соотнести их с обычными матрицами Паули :

Этот конкретный выбор удобен и элегантен, когда в базисе описываются состояния со спином 1/2 и рассматриваются операторы лестницы углового момента.

Таблица умножения группы кватернионов как подгруппы SL(2,3) . Элементы поля обозначены 0, +, −.

Существует также важное действие Q 8 на 2-мерном векторном пространстве над конечным полем (таблица справа). Модулярное представление задается как

Это представление можно получить из поля расширения :

где и мультипликативная группа имеет четыре генератора порядка 8. Для каждого двумерное векторное пространство допускает линейное отображение:

Кроме того, у нас есть автоморфизм Фробениуса, удовлетворяющий и Тогда приведенные выше матрицы представления имеют вид:

Это представление реализует Q 8 как нормальную подгруппу GL (2, 3) . Таким образом, для каждой матрицы мы имеем групповой автоморфизм

Фактически , они дают полную группу автоморфизмов как:

Это изоморфно симметрической группе S4 , поскольку линейные отображения переставляют четыре одномерных подпространства , т.е. четыре точки проективного пространства.

Кроме того, это представление переставляет восемь ненулевых векторов, давая вложение Q 8 в симметрическую группу S 8 , в дополнение к вложениям, даваемым регулярными представлениями.

Группа Галуа

Ричард Дедекинд рассматривал эту область , пытаясь связать группу кватернионов с теорией Галуа . [7] В 1936 году Эрнст Витт опубликовал свой подход к группе кватернионов через теорию Галуа. [8]

В 1981 году Ричард Дин показал, что группа кватернионов может быть реализована как группа Галуа Gal(T/ Q ), где Q — поле рациональных чисел , а T — поле разложения многочлена.

.

В разработке используется фундаментальная теорема теории Галуа для определения четырех промежуточных полей между Q и T и их групп Галуа, а также две теоремы о циклическом расширении степени четыре над полем. [1]

Обобщенная группа кватернионов

Обобщенная группа кватернионов Q 4 n порядка 4 n определяется представлением [3]

для целого числа n ≥ 2 , с обычной группой кватернионов, заданной как n = 2. [9] Коксетер называет Q 4 n дициклической группой , частным случаем бинарной полиэдральной группы и связанной с полиэдральной группой и диэдральной группой . Обобщенная группа кватернионов может быть реализована как подгруппа, порожденная

где . [3] Его также можно реализовать как подгруппу единичных кватернионов, порожденную [10] и .

Обобщенные группы кватернионов обладают тем свойством, что каждая абелева подгруппа является циклической. [11] Можно показать, что конечная p -группа с этим свойством (каждая абелева подгруппа является циклической) является либо циклической, либо обобщенной группой кватернионов, как определено выше. [12] Другая характеристика состоит в том, что конечная p -группа, в которой существует единственная подгруппа порядка p, является либо циклической, либо 2-группой, изоморфной обобщенной группе кватернионов. [13] В частности, для конечного поля F с нечетной характеристикой 2-силовская подгруппа SL 2 ( F ) неабелева и имеет только одну подгруппу порядка 2, поэтому эта 2-силовская подгруппа должна быть обобщенной группой кватернионов (Горенштейн, 1980, стр. 42). Пусть p r — размер F , где p — простое число, тогда размер 2-силовской подгруппы SL 2 ( F ) равен 2 n , где n = ord 2 ( p 2 − 1) + ord 2 ( r ) .

Теорема Брауэра –Сузуки показывает, что группы, силовские 2-подгруппы которых являются обобщенными кватернионами, не могут быть простыми.

Другая терминология резервирует название «обобщенная группа кватернионов» для дициклической группы порядка степени 2, [14] которая допускает представление

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ab Дин, Ричард (1981). «Рациональный многочлен, группа которого — кватернионы». The American Mathematical Monthly . 88 (1): 42–45. doi :10.2307/2320711. JSTOR  2320711.
  2. ^ См. также таблицу из Wolfram Alpha
  3. ^ abc Джонсон 1980, стр. 44–45
  4. См. Холл (1999), стр. 190.
  5. См. Курош (1979), стр. 67.
  6. ^ Артин 1991
  7. ^ Ричард Дедекинд (1887) "Konstrucktion der Quaternionkörpern", Ges. математика. Верк II 376–84
  8. ^ Эрнст Витт (1936) «Konstruktion von galoisschen Körpern...» Журнал Crelle 174: 237-45
  9. ^ Некоторые авторы (например, Ротман 1995, стр. 87, 351) называют эту группу дициклической группой, резервируя название обобщенной группы кватернионов для случая, когда n является степенью числа 2.
  10. ^ Браун 1982, стр. 98
  11. ^ Браун 1982, стр. 101, упражнение 1
  12. ^ Картан и Эйленберг 1999, теорема 11.6, с. 262
  13. ^ Браун 1982, Теорема 4.3, стр. 99
  14. ^ Роман, Стивен (2011). Основы теории групп: продвинутый подход . Springer. стр. 347–348. ISBN 9780817683016.

Ссылки

Внешние ссылки