stringtranslate.com

Сплит-комплексное число

В алгебре расщепленное комплексное число (или гиперболическое число , также число недоумения , двойное число ) основано на гиперболической единице j , удовлетворяющей условиям. Комплексное число с расщеплением имеет два действительных компонента x и y , и записывается: Сопряженное число z равно произведение числа z на сопряженное ему есть изотропная квадратичная форма .

Совокупность D всех расщепленных комплексных чисел образует алгебру над полем действительных чисел . Два расщепленных комплексных числа w и z имеют произведение wz , которое удовлетворяет условиям Эта композиция N над произведением алгебры делает ( D , +, ×, *) композиционной алгеброй .

Подобная алгебра, основанная на покомпонентных операциях сложения и умножения, где xyквадратичная форма , также образует квадратичное пространство . Кольцевой изоморфизм

связывает пропорциональные квадратичные формы, но отображение не является изометрией , поскольку мультипликативное тождество (1, 1) находится на расстоянии от 0, которое нормализовано в D .

Сплит-комплексные числа имеют много других названий; см. § Синонимы ниже. См. статью Переменная двигателя для функций расщепленного комплексного числа.

Определение

Сплит -комплексное число — это упорядоченная пара действительных чисел, записанная в виде

где x и yдействительные числа , а гиперболическая единица [1] j удовлетворяет условию

В области комплексных чисел мнимая единица i удовлетворяет. Смена знака отличает расщепленные комплексные числа от обычных комплексных. Гиперболическая единица j — это не действительное число, а независимая величина.

Совокупность всех таких z называется расщепленной комплексной плоскостью . Сложение и умножение расщепленных комплексных чисел определяются формулой

Это умножение коммутативно , ассоциативно и распределяется по сложению.

Сопряженная, модульная и билинейная форма

Как и для комплексных чисел, можно определить понятие комплексно-сопряженного числа . Если

тогда сопряженное к z определяется как

Конъюгат представляет собой инволюцию , которая обладает свойствами, аналогичными комплексно-сопряженным . А именно,

Квадрат модуля расщепленного комплексного числа задается изотропной квадратичной формой

Он обладает свойством алгебры композиции :

Однако эта квадратичная форма не является положительно определенной , а имеет сигнатуру (1, −1) , поэтому модуль не является нормой .

Соответствующая билинейная форма имеет вид

где и Здесь действительная часть определяется как . Тогда другое выражение для квадрата модуля:

Поскольку она не является положительно определенной, эта билинейная форма не является внутренним продуктом ; тем не менее, билинейную форму часто называют неопределенным внутренним продуктом . Аналогичное злоупотребление языком относится к модулю как к норме.

Комплексное число с расщеплением обратимо тогда и только тогда, когда его модуль отличен от нуля ( ), поэтому числа вида x ± jx не имеют обратных. Мультипликативный обратный обратимому элементу задается формулой

Комплексные числа, которые не являются обратимыми, называются нулевыми векторами . Все они имеют форму ( a ± ja ) для некоторого действительного числа a .

Диагональное основание

Есть два нетривиальных идемпотентных элемента , заданных и Напомним, что идемпотент означает, что и Оба этих элемента имеют значение null:

Часто удобно использовать e и e в качестве альтернативного базиса расщепляемой комплексной плоскости. Этот базис называется диагональным базисом или нулевым базисом . Сплит-комплексное число z можно записать в нулевом базисе как

Если мы обозначим число действительных чисел a и b через ( a , b ) , то комплексное умножение с расщеплением задается формулой

Сплит-комплекс, сопряженный в диагональном базисе, имеет вид

изоморфизм

Эта коммутативная диаграмма связывает действие гиперболического версора на D с отображением сжатия σ , примененным к

На основе {е, е*} становится ясно, что расщепляемые комплексные числа кольцево изоморфны прямой сумме с попарным определением сложения и умножения.

Диагональный базис для расщепленной комплексной числовой плоскости можно вызвать, используя упорядоченную пару ( x , y ) для и создавая отображение

Теперь квадратичная форма: Кроме того,

таким образом, две параметризованные гиперболы приводятся в соответствие с S .

Тогда при этом линейном преобразовании действие гиперболического версора соответствует отображению сжатия

Хотя расщепленная комплексная плоскость и прямая сумма двух вещественных прямых лежат в одном и том же классе изоморфизма в категории колец , они различаются по своему расположению в декартовой плоскости . Изоморфизм как плоское отображение состоит из поворота против часовой стрелки на 45° и расширения на 2 . В частности, расширение иногда вызывало путаницу в отношении областей гиперболического сектора . Действительно, гиперболический угол соответствует площади сектора на плоскости с его «единичным кругом», заданным формулой. Сжатая единичная гипербола расщепленной комплексной плоскости имеет только половину площади в диапазоне соответствующего гиперболического сектора. Такая путаница может продолжаться, если геометрия плоскости расщепленного комплекса не отличается от геометрии .

Геометрия

  Единичная гипербола: z ‖ = 1
  Сопряженная гипербола: z ‖ = −1
  Асимптоты: z ‖ = 0

Двумерное действительное векторное пространство со скалярным произведением Минковского называется (1 + 1) -мерным пространством Минковского , часто обозначается так же, как большая часть геометрии евклидовой плоскости может быть описана с помощью комплексных чисел, геометрия плоскости Минковского может быть описана с помощью комплексных чисел. описываться расщепленными комплексными числами.

Набор очков

является гиперболой для любого ненулевого a в Гипербола состоит из правой и левой ветвей, проходящих через ( a , 0) и (− a , 0) . Случай а = 1 называется единичной гиперболой . Сопряженная гипербола имеет вид

с верхней и нижней ветвью, проходящей через (0, a ) и (0, − a ) . Гипербола и сопряженная гипербола разделены двумя диагональными асимптотами , которые образуют набор нулевых элементов:

Эти две линии (иногда называемые нулевым конусом ) перпендикулярны и имеют наклон ±1.

Сплит-комплексные числа z и w называются гиперболически-ортогональными, если z , w ⟩ = 0 . Хотя это условие аналогично обычной ортогональности, особенно в том виде, в котором оно известно в обычной арифметике комплексных чисел, оно более тонкое. Это составляет основу концепции одновременной гиперплоскости в пространстве-времени.

Аналогом формулы Эйлера для расщепленных комплексных чисел является

Эту формулу можно получить путем разложения в степенной ряд, используя тот факт, что cosh имеет только четные степени, а sinh — нечетные. [2] Для всех действительных значений гиперболического угла θ расщепленное комплексное число λ = exp( ) имеет норму 1 и лежит на правой ветви единичной гиперболы. Такие числа, как λ, называются гиперболическими версорами .

Поскольку λ имеет модуль 1, умножение любого расщепленного комплексного числа z на λ сохраняет модуль z и представляет собой гиперболическое вращение (также называемое усилением Лоренца или отображением сжатия ). Умножение на λ сохраняет геометрическую структуру, переводя гиперболы в себя, а нулевой конус в себя.

Набор всех преобразований расщепленной комплексной плоскости, которые сохраняют модуль (или, что то же самое, скалярный продукт), образует группу , называемую обобщенной ортогональной группой O(1, 1) . Эта группа состоит из гиперболических вращений, которые образуют подгруппу , обозначенную SO + (1, 1) , в сочетании с четырьмя дискретными отражениями , заданными формулой

Экспоненциальная карта

отправка θ во вращение с помощью exp( ) является групповым изоморфизмом, поскольку применяется обычная экспоненциальная формула:

Если расщепленное комплексное число z не лежит ни на одной из диагоналей, то z имеет полярное разложение .

Алгебраические свойства

В терминах абстрактной алгебры расщепленные комплексные числа можно описать как частное кольца многочленов по идеалу, порожденному многочленом .

Образ x в частном — это «мнимая» единица j . Благодаря этому описанию становится ясно, что расщепленные комплексные числа образуют коммутативную алгебру над действительными числами. Алгебра не является полем , поскольку нулевые элементы не обратимы. Все ненулевые нулевые элементы являются делителями нуля .

Поскольку сложение и умножение являются непрерывными операциями относительно обычной топологии плоскости, расщепляемые комплексные числа образуют топологическое кольцо .

Алгебра расщепленных комплексных чисел образует композиционную алгебру , поскольку

для любых чисел z и w .

Из определения видно, что кольцо расщепленных комплексных чисел изоморфно групповому кольцу циклической группы C 2 над действительными числами.

Матричные представления

Комплексные числа с расщеплением можно легко представить с помощью матриц . Число расщепленного комплекса можно представить матрицей

Сложение и умножение комплексных чисел затем задаются путем сложения и умножения матриц. Модуль z задается определителем соответствующей матрицы.

На самом деле существует множество представлений расщепленной комплексной плоскости в четырехмерном кольце вещественных матриц размером 2x2. Действительные кратные единичной матрицы образуют вещественную строку в кольце матриц M(2,R). Любая гиперболическая единица m обеспечивает базовый элемент, с помощью которого можно продлить действительную линию до плоскости расщепленного комплекса. Матрицы

какой квадрат единичной матрицы удовлетворяет Например, когда a = 0, то ( b,c ) является точкой стандартной гиперболы. В более общем смысле, в M(2,R) существует гиперповерхность гиперболических единиц, любая из которых служит базисом для представления расщепленных комплексных чисел как подкольца M (2,R). [3] [ нужен лучший источник ]

Число можно представить матрицей  

История

Использование расщепленных комплексных чисел восходит к 1848 году, когда Джеймс Кокл представил свои тессарины . [4] Уильям Кингдон Клиффорд использовал расщепленные комплексные числа для представления сумм спинов. Клиффорд ввел использование расщепленных комплексных чисел в качестве коэффициентов в алгебре кватернионов, которая теперь называется расщепленными бикватернионами . Его элементы он назвал «двигателями», термином, параллельным «роторному» действию обычного комплексного числа, взятого из группы кругов . Продолжая аналогию, функции двигательной переменной противопоставляются функциям обычной комплексной переменной .

С конца двадцатого века расщепленное комплексное умножение обычно рассматривалось как лоренцевское усиление плоскости пространства-времени . [5] [6] [7] [8] [9] [10] В этой модели число z = x + y j представляет событие в пространственно-временной плоскости, где x измеряется в наносекундах, а y в единицах Мермина. ноги . Будущее соответствует квадранту событий { z  : | й | < x } , который имеет расщепленное комплексное полярное разложение . Модель утверждает, что z можно достичь из начала координат, введя систему отсчета с быстротой a и ожидая ρ наносекунд. Уравнение расщепленного комплекса

Выражение произведений через единичную гиперболу иллюстрирует аддитивность быстроты для коллинеарных скоростей. Одновременность событий зависит от быстроты а ;

— линия событий, одновременная с началом координат в системе отсчета с быстротой a .

Два события z и w являются гиперболически-ортогональными, когда канонические события exp( aj ) и j exp( aj ) гиперболически ортогональны и лежат на осях системы отсчета, в которой события, одновременные с началом координат, пропорциональны j exp( aj ) .

В 1933 году Макс Цорн использовал расщепленные октонионы и отметил свойство алгебры композиции . Он понял, что конструкция Кэли-Диксона , используемая для создания алгебр с делением, может быть изменена (с фактором гамма, γ ) для построения других композиционных алгебр, включая расщепленные октонионы. Его новаторство было продолжено Адрианом Альбертом , Ричардом Д. Шафером и другими. [11] Гамма-фактор с R в качестве базового поля строит расщепляемые комплексные числа как композиционную алгебру. В обзоре Альберта для Mathematical Reviews Н. Х. Маккой написал, что произошло «введение некоторых новых алгебр порядка 2 e над F , обобщающих алгебры Кэли – Диксона». [12] Взятие F = R и e = 1 соответствует алгебре этой статьи.

В 1935 году Ж. К. Виньо и А. Дураньона-и-Ведиа разработали комплексную геометрическую алгебру и теорию функций в четырех статьях в Contribución a las Ciencias Físicas y Matemáticas , Национальный университет Ла-Платы , Республика Аргентина (на испанском языке). Эти разъяснительные и педагогические эссе представили тему, получившую широкое признание. [13]

В 1941 году Э. Ф. Аллен использовал геометрическую арифметику расщепленного комплекса, чтобы установить девятиточечную гиперболу треугольника, вписанного в  zz = 1 . [14]

В 1956 году Мечислав Вармус опубликовал «Исчисление аппроксимаций» в «Бюллетене Полонезской академии наук» (см. ссылку в разделе «Ссылки»). Он разработал две алгебраические системы, каждую из которых он назвал «приблизительными числами», вторая из которых образует настоящую алгебру. [15] Д. Х. Лемер просмотрел статью в Mathematical Reviews и заметил, что эта вторая система изоморфна «гиперболическим комплексным» числам, предмету этой статьи.

В 1961 году Вармус продолжил свое изложение, называя компоненты приблизительного числа серединой и радиусом обозначенного интервала.

Синонимы

Разные авторы использовали самые разные названия для расщепляющихся комплексных чисел. Некоторые из них включают в себя:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Владимир В. Кисиль (2012) Геометрия преобразований Мебиуса: эллиптические, параболические и гиперболические действия SL (2,R) , страницы 2, 161, ISBN  Imperial College Press 978-1-84816-858-9
  2. ^ Джеймс Кокл (1848) О новом воображении в алгебре, Философский журнал 33:438
  3. ^ Абстрактная алгебра/действительные матрицы 2x2 в Wikibooks
  4. ^ Джеймс Кокл (1849) О новом воображении в алгебре 34:37–47, Философский журнал Лондон-Эдинбург-Дублин (3) 33 :435–9, ссылка из Библиотеки наследия биоразнообразия .
  5. ^ Франческо Антонуччо (1994) Полукомплексный анализ и математическая физика
  6. ^ Ф. Катони, Д. Боккалетти, Р. Канната, В. Катони, Э. Никелатти, П. Зампетти. (2008) Математика пространства-времени Минковского , Birkhäuser Verlag , Базель. Глава 4: Тригонометрия в плоскости Минковского. ISBN 978-3-7643-8613-9
  7. ^ Франческо Катони; Дино Боккалетти; Роберто Канната; Винченцо Катони; Паоло Зампетти (2011). «Глава 2: Гиперболические числа». Геометрия пространства-времени Минковского . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-17977-8.
  8. ^ Фьелстад, Пол (1986), «Расширение специальной теории относительности с помощью чисел недоумения», American Journal of Physics , 54 (5): 416–422, Бибкод : 1986AmJPh..54..416F, doi : 10.1119/1.14605
  9. ^ Луи Кауфман (1985) «Преобразования в специальной теории относительности», Международный журнал теоретической физики 24: 223–36.
  10. ^ Собчик, Г. (1995) Гиперболическая числовая плоскость, также опубликовано в журнале College Mathematics Journal 26: 268–80.
  11. ^ Роберт Б. Браун (1967) Об обобщенных алгебрах Кэли-Диксона, Pacific Journal of Mathematics 20 (3): 415–22, ссылка из Project Euclid .
  12. ^ Н. Х. Маккой (1942) Обзор «Квадратичных форм, допускающих композицию» А. А. Альберта, Mathematical Reviews # 0006140
  13. ^ Виньо, Дж. (1935) «Sobre el numero complejo hiperbolico y su relacion con la geometria de Borel», Contribucion al Estudio de las Ciencias Fisicas y Matematicas , Национальный университет де ла Плата, Республика Аргентина
  14. ^ Аллен, EF (1941) «О треугольнике, вписанном в прямоугольную гиперболу», American Mathematical Monthly 48 (10): 675–681
  15. ^ М. Вармус (1956) «Исчисление аппроксимаций». Архивировано 9 марта 2012 г. в Wayback Machine , Bulletin de l'Académie polonaise des Sciences , Vol. Т. 4, № 5, стр. 253–257, МР 0081372
  16. ^ Кри, Джордж К. (1949). Теория чисел системы гиперболических комплексных чисел (магистерская диссертация). Университет Макгилла.
  17. ^ Смит, Норман Э. (1949). Введение в гиперболическую теорию чисел (магистерская диссертация). Университет Макгилла.
  18. ^ Миллер, Уильям; Бенинг, Рошель (1968). «Гауссовы, параболические и гиперболические числа». Учитель математики . 61 (4): 377–382. дои : 10.5951/MT.61.4.0377. JSTOR  27957849.
  19. ^ Розенфельд, Б. (1997) Геометрия групп Ли , страница 30, ISBN Kluwer Academic Publishers 0-7923-4390-5 

дальнейшее чтение