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.
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.
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 :
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
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 :
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 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
^ ab Дин, Ричард (1981). «Рациональный многочлен, группа которого — кватернионы». The American Mathematical Monthly . 88 (1): 42–45. doi :10.2307/2320711. JSTOR 2320711.
^ 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.
^ Браун 1982, стр. 98
^ Браун 1982, стр. 101, упражнение 1
^ Картан и Эйленберг 1999, теорема 11.6, с. 262
^ Браун 1982, Теорема 4.3, стр. 99
^ Роман, Стивен (2011). Основы теории групп: продвинутый подход . Springer. стр. 347–348. ISBN9780817683016.