В математике , теорема Гурвица — теорема Адольфа Гурвица (1859–1919), опубликованная посмертно в 1923 году, решающая проблему Гурвица для конечномерных унитальных вещественных неассоциативных алгебр, наделенных невырожденной положительно-определенной квадратичной формой . Теорема утверждает, что если квадратичная форма определяет гомоморфизм в положительные вещественные числа на ненулевой части алгебры, то алгебра должна быть изоморфна вещественным числам , комплексным числам , кватернионам или октонионам , и что нет никаких других возможностей. Такие алгебры, иногда называемые алгебрами Гурвица , являются примерами композиционных алгебр .
Теория композиционных алгебр впоследствии была обобщена на произвольные квадратичные формы и произвольные поля . [1] Теорема Гурвица подразумевает, что мультипликативные формулы для сумм квадратов могут встречаться только в измерениях 1, 2, 4 и 8, результат, первоначально доказанный Гурвицем в 1898 году. Это частный случай проблемы Гурвица , решенной также Радоном (1922). Последующие доказательства ограничений на размерность были даны Экманном (1943) с использованием теории представлений конечных групп и Ли (1948) и Шевалле (1954) с использованием алгебр Клиффорда . Теорема Гурвица была применена в алгебраической топологии к задачам о векторных полях на сферах и гомотопических группах классических групп [2] и в квантовой механике к классификации простых йордановых алгебр . [3]
Алгебра Гурвица или композиционная алгебра — это конечномерная не обязательно ассоциативная алгебра A с тождеством, наделенная невырожденной квадратичной формой q такой, что q ( a b ) = q ( a ) q ( b ) . Если базовое поле коэффициентов — это действительные числа, а q положительно определено, так что ( a , b ) = 1/2 [ q ( a + b ) − q ( a ) − q ( b )] является скалярным произведением , тогда A называется евклидовой алгеброй Гурвица или (конечномерной) нормированной алгеброй с делением . [4]
Если A — евклидова алгебра Гурвица и a принадлежит A , то определим инволюцию и операторы правого и левого умножения следующим образом:
Очевидно, инволюция имеет период два и сохраняет скалярное произведение и норму. Эти операторы обладают следующими свойствами:
Эти свойства доказываются, исходя из поляризованной версии тождества ( ab , ab ) = ( a , a )( b , b ) :
Установка b = 1 или d = 1 дает L ( a *) = L ( a )* и R ( c *) = R ( c )* .
Следовательно, Re( ab ) = ( ab , 1)1 = ( a , b *)1 = ( ba , 1)1 = Re( ba ) .
Аналогично Re ( ab ) c = (( ab ) c ,1)1 = ( ab , c *)1 = ( b , a * c *)1 = ( bc , a *)1 = ( a ( bc ),1)1 = Re a ( bc ) .
Следовательно (( ab )*, c) = ( ab , c *) = ( b , a * c *) = (1, b *( a * c *)) = (1, ( b * a *) c *) = ( b * a *, c ) , так что ( ab )* = b * a * .
По поляризованному тождеству ‖ a ‖ 2 ( c , d ) = ( ac , ad ) = ( a * ( ac ), d ) поэтому L ( a *) L ( a ) = L ( ‖ a ‖ 2 ) . Применительно к 1 это дает a * a = ‖ a ‖ 2 1 . Замена a на a * дает другое тождество.
Подстановка формулы для a * в L ( a *) L ( a ) = L ( a * a ) дает L ( a ) 2 = L ( a 2 ) . Формула R ( a 2 ) = R ( a ) 2 доказывается аналогично.
Обычно проверяется, что действительные числа R , комплексные числа C и кватернионы H являются примерами ассоциативных евклидовых алгебр Гурвица с их стандартными нормами и инволюциями. Более того , существуют естественные включения R ⊂ C ⊂ H.
Анализ такого включения приводит к конструкции Кэли–Диксона , формализованной А. А. Альбертом . Пусть A — евклидова алгебра Гурвица, а B — собственная унитальная подалгебра, то есть евклидова алгебра Гурвица сама по себе. Выберем единичный вектор j в A , ортогональный B. Поскольку ( j , 1) = 0 , то j * = − j и, следовательно, j 2 = −1 . Пусть C — подалгебра, порожденная B и j . Она унитальная и снова является евклидовой алгеброй Гурвица. Она удовлетворяет следующим законам умножения Кэли–Диксона :
B и Bj ортогональны, так как j ортогонален B . Если a принадлежит B , то j a = a * j , так как по ортогональности 0 = 2( j , a *) = ja − a * j . Формула для инволюции следует ниже. Чтобы показать, что B ⊕ B j замкнуто относительно умножения Bj = jB . Так как Bj ортогонален 1, ( bj )* = − bj .
Наложение мультипликативности нормы на C для a + bj и c + dj дает:
что приводит к
Следовательно, d ( ac ) = ( da ) c , так что B должен быть ассоциативным .
Этот анализ применим к включению R в C и C в H. Взятие O = H ⊕ H с произведением и скалярным произведением выше дает некоммутативную неассоциативную алгебру, порожденную J = (0, 1) . Это восстанавливает обычное определение октонионов или чисел Кэли . Если A — евклидова алгебра, она должна содержать R. Если она строго больше R , приведенное выше рассуждение показывает, что она содержит C. Если она больше C , она содержит H. Если она еще больше, она должна содержать O. Но на этом процесс должен остановиться, потому что O не ассоциативна. Фактически H не коммутативна и a ( bj ) = ( ba ) j ≠ ( ab ) j в O. [5 ]
Теорема. Единственными евклидовыми алгебрами Гурвица являются действительные числа, комплексные числа, кватернионы и октонионы.
Доказательства Ли (1948) и Шевалле (1954) используют алгебры Клиффорда , чтобы показать, что размерность N пространства A должна быть 1, 2, 4 или 8. Фактически операторы L ( a ) с ( a , 1) = 0 удовлетворяют L ( a ) 2 = −‖ a ‖ 2 и, таким образом, образуют действительную алгебру Клиффорда. Если a — единичный вектор, то L ( a ) является кососопряжённым с квадратом − I . Поэтому N должно быть либо чётным, либо 1 (в этом случае A не содержит единичных векторов, ортогональных 1). Действительная алгебра Клиффорда и её комплексификация действуют на комплексификацию A , N -мерного комплексного пространства. Если N чётно, N − 1 нечётно , поэтому алгебра Клиффорда имеет ровно два комплексных неприводимых представления размерности 2 N /2 − 1 . Итак, эта степень числа 2 должна делить N. Легко видеть, что это означает, что N может быть равно только 1, 2, 4 или 8.
Доказательство Экмана (1943) использует теорию представлений конечных групп , или проективную теорию представлений элементарных абелевых 2-групп , которая, как известно, эквивалентна теории представлений вещественных алгебр Клиффорда. Действительно, взятие ортонормированного базиса e i ортогонального дополнения 1 приводит к операторам U i = L ( e i ), удовлетворяющим
Это проективное представление прямого произведения N − 1 групп порядка 2. ( Предполагается, что N больше 1.) Операторы U i по построению кососимметричны и ортогональны. Фактически Экман построил операторы этого типа немного другим, но эквивалентным способом. Фактически, это метод, которому изначально следовал Гурвиц (1923). [ 6] Предположим, что существует закон композиции для двух форм
где z i является билинейной по x и y . Таким образом
где матрица T ( x ) = ( a ij ) линейна по x . Соотношения выше эквивалентны
Письмо
отношения становятся
Теперь положим V i = ( T N ) t T i . Таким образом, V N = I и V 1 , ... , V N − 1 являются кососопряженными, ортогональными, удовлетворяющими точно тем же соотношениям, что и U i :
Так как V i — ортогональная матрица с квадратом −I на действительном векторном пространстве , то N четно.
Пусть G — конечная группа, порожденная элементами v i такими, что
где ε является централом порядка 2. Коммутантная подгруппа [ G , G ] образована только из 1 и ε . Если N нечетно, то это совпадает с центром , а если N четно, то центр имеет порядок 4 с дополнительными элементами γ = v 1 ... v N − 1 и ε γ . Если g в G не находится в центре, то его класс сопряженности равен в точности g и εg . Таким образом, имеется 2 N − 1 + 1 классов сопряженности для нечетного N и 2 N − 1 + 2 для четного N. G имеет | G / [ G , G ] | = 2 N − 1 1-мерных комплексных представлений. Общее число неприводимых комплексных представлений равно числу классов сопряженности. Поэтому, поскольку N четно, имеется еще два неприводимых комплексных представления. Поскольку сумма квадратов размерностей равна | G | , а размерности делят | G | , два неприводимых должны иметь размерность 2 ( N − 2)/2 . Когда N четно, их два, и их размерность должна делить порядок группы, то есть степень двойки, поэтому они оба должны иметь размерность 2 ( N − 2)/2 . Пространство, на котором действует V i , может быть комплексифицировано. Оно будет иметь комплексную размерность N . Оно распадается на некоторые из комплексных неприводимых представлений G , все из которых имеют размерность 2 ( N − 2)/2 . В частности, эта размерность ≤ N , поэтому N меньше или равно 8. Если N = 6 , размерность равна 4, что не делит 6. Поэтому N может быть только 1, 2, 4 или 8.
Пусть A — евклидова алгебра Гурвица, а M n ( A ) — алгебра матриц размера n на n над A. Это унитальная неассоциативная алгебра с инволюцией, заданной формулой
След Tr( X ) определяется как сумма диагональных элементов X и действительного следа Tr R ( X ) = Re Tr( X ) . Действительный след удовлетворяет:
Это непосредственные следствия известных тождеств для n = 1 .
В A определите ассоциатор как
Он трилинеен и тождественно равен нулю, если A ассоциативен. Так как A является альтернативной алгеброй [ a , a , b ] = 0 и [ b , a , a ] = 0 . Поляризуя его, следует, что ассоциатор антисимметричен в своих трех элементах. Кроме того, если a , b или c лежат в R , то [ a , b , c ] = 0 . Эти факты подразумевают, что M 3 ( A ) обладает определенными коммутационными свойствами. Фактически, если X является матрицей в M 3 ( A ) с действительными элементами на диагонали, то
с a в A. Фактически, если Y = [ X , X 2 ] , то
Поскольку диагональные элементы X являются действительными, недиагональные элементы Y исчезают. Каждый диагональный элемент Y является суммой двух ассоциаторов, включающих только недиагональные члены X. Поскольку ассоциаторы инвариантны относительно циклических перестановок , все диагональные элементы Y равны.
Пусть H n ( A ) — пространство самосопряженных элементов в M n ( A ) с произведением X ∘ Y = 1/2 ( X Y + Y X ) и скалярное произведение ( X , Y ) = Tr R ( X Y ) .
Теорема. H n ( A ) является евклидовой йордановой алгеброй , если A ассоциативна (действительные числа, комплексные числа или кватернионы) и n ≥ 3 или если A неассоциативна (октонионы) и n = 3 .
Исключительная йорданова алгебра H 3 ( O ) называется алгеброй Альберта в честь А. А. Альберта .
Чтобы проверить, что H n ( A ) удовлетворяет аксиомам для евклидовой йордановой алгебры, действительный след определяет симметричную билинейную форму с ( X , X ) = Σ ‖ x ij ‖ 2 . Таким образом, это скалярное произведение. Оно удовлетворяет свойству ассоциативности ( Z ∘ X , Y ) = ( X , Z ∘ Y ) из-за свойств действительного следа. Основная аксиома для проверки — это условие Жордана для операторов L ( X ), определяемое как L ( X ) Y = X ∘ Y :
Это легко проверить, когда A ассоциативна, поскольку M n ( A ) является ассоциативной алгеброй, поэтому йорданова алгебра с X ∘ Y = 1/2 ( X Y + Y X ) . Когда A = O и n = 3 требуется специальный аргумент, один из самых коротких принадлежит Фрейденталю (1951). [7]
Фактически, если T находится в H 3 ( O ) с Tr T = 0 , то
определяет косо-сопряженный вывод H 3 ( O ) . Действительно,
так что
Поляризационные выходы:
Установка Z = 1 показывает, что D является кососопряжённым. Отсюда и из свойства ассоциативности скалярного произведения в тождестве выше следует свойство вывода D ( X ∘ Y ) = D ( X )∘ Y + X ∘ D ( Y ) .
При A и n, как в формулировке теоремы, пусть K будет группой автоморфизмов E = H n ( A ) , оставляющей инвариантным скалярное произведение. Это замкнутая подгруппа O ( E ), поэтому компактная группа Ли . Ее алгебра Ли состоит из кососопряженных дифференцирований. Фрейденталь (1951) показал, что для данного X в E существует автоморфизм k в K такой, что k ( X ) является диагональной матрицей . (В силу самосопряженности диагональные элементы будут действительными.) Теорема Фрейденталя о диагонализации немедленно влечет условие Жордана, поскольку жордановы произведения на действительные диагональные матрицы коммутируют на M n ( A ) для любой неассоциативной алгебры A .
Чтобы доказать теорему о диагонализации, возьмем X в E . В силу компактности k можно выбрать в K, минимизируя суммы квадратов норм недиагональных членов k ( X ) . Поскольку K сохраняет суммы всех квадратов, это эквивалентно максимизации сумм квадратов норм диагональных членов k ( X ) . Заменив X на k X , можно предположить, что максимум достигается в X . Поскольку симметрическая группа S n , действующая путем перестановки координат, лежит в K , если X не является диагональной, можно предположить, что x 12 и ее сопряженная x 21 не равны нулю. Пусть T будет кососопряжённой матрицей с (2, 1) элементом a , (1, 2) элементом − a * и 0 в других местах, и пусть D будет выводом ad T матрицы E . Пусть k t = exp tD в K . Тогда только первые два диагональных элемента в X ( t ) = k t X отличаются от элементов X . Диагональные элементы являются действительными. Производная x 11 ( t ) при t = 0 является координатой (1, 1) [ T , X ] , то есть a * x 21 + x 12 a = 2( x 21 , a ) . Эта производная не равна нулю, если a = x 21 . С другой стороны, группа k t сохраняет действительный след. Поскольку она может изменять только x 11 и x 22 , она сохраняет их сумму. Однако на прямой x + y = const, x 2 + y 2 не имеет локального максимума (только глобальный минимум), противоречие. Следовательно, X должен быть диагональным.