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 xy — квадратичная 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.
Сплит -комплексное число — это упорядоченная пара действительных чисел, записанная в виде
где x и y — действительные 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.
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 .
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
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 .
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( jθ ) 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( jθ ) 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 .
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.
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
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.
Разные авторы использовали самые разные названия для расщепляющихся комплексных чисел. Некоторые из них включают в себя: