В математике теорема Гурвица — теорема Адольфа Гурвица ( 1859–1919), опубликованная посмертно в 1923 году, решающая проблему Гурвица для конечномерных унитарных вещественных неассоциативных алгебр, наделенных невырожденной положительно определенной квадратичной формой . Теорема утверждает, что если квадратичная форма определяет гомоморфизм положительных действительных чисел в ненулевой части алгебры, то алгебра должна быть изоморфна действительным числам , комплексным числам , кватернионам или октонионам , и что других возможностей нет. Такие алгебры, иногда называемые алгебрами Гурвица , являются примерами композиционных алгебр .
Теория композиционных алгебр впоследствии была обобщена на произвольные квадратичные формы и произвольные поля . [1] Из теоремы Гурвица следует, что мультипликативные формулы для сумм квадратов могут встречаться только в 1, 2, 4 и 8 измерениях. Этот результат первоначально был доказан Гурвицем в 1898 году. Это частный случай проблемы Гурвица , решенной также в Радоне ( 1922). Последующие доказательства ограничений на размерность были даны Экманом (1943) с использованием теории представлений конечных групп и Ли (1948) и Шевалле (1954) с использованием алгебр Клиффорда . Теорема Гурвица применялась в алгебраической топологии к задачам о векторных полях на сферах и гомотопических группах классических групп [2] , а в квантовой механике — к классификации простых йордановых алгебр . [3]
Алгебра Гурвица или композиционная алгебра — это конечномерная не обязательно ассоциативная алгебра A с единицей, наделенной невырожденной квадратичной формой q такой, что q ( a b ) = q ( a ) q ( b ) . Если базовое поле коэффициентов является действительным числом, а q положительно определенное, так что ( a , b ) = 1/2 [ q ( a + b ) − q ( a ) − q ( b )] является скалярным произведением , то A называется евклидовой алгеброй Гурвица или (конечномерной) нормированной алгеброй с делением . [4]
Если A — евклидова алгебра Гурвица и a находится в A , определите операторы инволюции и правого и левого умножения формулой
Очевидно, что инволюция имеет период два и сохраняет скалярный продукт и норму. Эти операторы обладают следующими свойствами:
Эти свойства доказываются, начиная с 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 знак равно Re а ( до н.э. ) .
Следовательно (( ab )*, c) = ( ab , c *) = ( b , a * c *) = (1, b *( a * c *)) = (1, ( b * a *) c * ) = ( b * a *, c ) , так что ( ab )* = b * a * .
Поляризованной идентичностью ‖ 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 * дает другую идентичность.
Подстановка формулы для a * в L ( a *) L ( a ) = L ( a * a ) дает L ( a ) 2 = L ( a 2 ) . Формула R ( a2 ) = 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 подалгебра с единицей, то есть евклидова алгебра Гурвица сама по себе. Выберите единичный вектор j в A, ортогональный B . Поскольку ( j , 1) = 0 , отсюда следует, что j * = − j и, следовательно, j 2 = −1 . Пусть C — подалгебра, порожденная B и j . Она унитальна и снова является евклидовой алгеброй Гурвица. Он удовлетворяет следующим законам умножения Кэли-Диксона :
B и Bj ортогональны, поскольку j ортогонален B . Если a находится в B , то j a = a * j , поскольку по ортогоналу 0 = 2( j , a *) = ja − a * j . Формула инволюции следующая. Показать, что B ⊕ B j замкнуто относительно умножения Bj = jB . Поскольку 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 должно быть ассоциативным .
Этот анализ применим к включению R в C и C в H. Взяв O = H ⊕ H с приведенным выше произведением и скалярным произведением, получим некоммутативную неассоциативную алгебру, порожденную J = (0, 1) . Это восстанавливает обычное определение октонионов или чисел Кэли . Если A — евклидова алгебра, она должна содержать R. Если он строго больше R , приведенный выше аргумент показывает, что он содержит C. Если он больше C , он содержит H. Если он еще больше, он должен содержать O . Но на этом процесс должен остановиться, потому что О не ассоциативно. На самом деле H не коммутативен и a ( bj ) = ( ba ) j ≠ ( ab ) j в O . [5]
Теорема. Единственными евклидовыми алгебрами Гурвица являются действительные числа, комплексные числа, кватернионы и октонионы.
В доказательствах Ли (1948) и Шевалле (1954) используются алгебры Клиффорда, чтобы показать, что размерность N 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 вещественную алгебру Клиффорда. Если a — единичный вектор, то L ( a ) кососопряжен с квадратом − I . Таким образом, N должно быть либо четным , либо 1 (в этом случае A не содержит единичных векторов, ортогональных 1). Вещественная алгебра Клиффорда и ее комплексификация действуют на комплексификацию A , N -мерного комплексного пространства. Если N четно, N − 1 нечетно , поэтому алгебра Клиффорда имеет ровно два комплексных неприводимых представления размерности 2 N /2 − 1 . Итак, эта степень 2 должна делить N. Легко видеть, что это означает, что N может быть 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 к 1 приводит к появлению операторов U i = L ( e i ) , удовлетворяющих
Это проективное представление прямого произведения N − 1 групп порядка 2. ( Предполагается , что N больше 1.) Операторы U i по построению кососимметричны и ортогональны. На самом деле Экман построил операторы этого типа несколько иным, но эквивалентным способом. Фактически, именно этому методу первоначально следовал Гурвиц (1923). [6] Предположим, что существует закон композиции двух форм.
где z i билинейна по x и y . Таким образом
где матрица T ( x ) = ( a ij ) линейна по x . Приведенные выше соотношения эквивалентны
Письмо
отношения становятся
Теперь установите V i знак равно ( T N ) t T i . Таким образом, V N = I и V 1 , ... , V N − 1 кососопряжены, ортогональны и удовлетворяют точно тем же соотношениям, что и U i :
Поскольку V i — ортогональная матрица с квадратом − I в вещественном векторном пространстве , N четно.
Пусть G — конечная группа, порожденная элементами v i такими, что
где ε является центральным, порядка 2. Коммутант [ G , G ] только что образован из 1 и ε . Если N нечетно, 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, его класс сопряженности равен g и εg . Таким образом, существует 2 N − 1 + 1 классов сопряженности для N нечетного и 2 N − 1 + 2 для N четного. G имеет | г / [ г , г ] | = 2 N − 1 1-мерных комплексных представлений. Общее количество неприводимых комплексных представлений равно числу классов сопряженности. Итак, поскольку N четно, есть еще два неприводимых комплексных представления. Так как сумма квадратов размеров равна | г | и размеры делят | г | , две неприводимые должны иметь размерность 2 ( N − 2)/2 . Когда N четно, их два, и их размерность должна делить порядок группы, как и степень двойки, поэтому они оба должны иметь размерность 2 ( N − 2)/2 . Пространство, на котором действуют Ви, может быть комплексовано . Он будет иметь комплексную размерность N. Он распадается на некоторые комплексные неприводимые представления G , все из которых имеют размерность 2 ( N − 2)/2 . В частности, это измерение ≤ N , поэтому N меньше или равно 8. Если N = 6 , размерность равна 4, что не делит 6. Таким образом, N может быть только 1, 2, 4 или 8.
Пусть A — евклидова алгебра Гурвица, и пусть M n ( A ) — алгебра n -x n матриц над A. Это неассоциативная алгебра с единицей с инволюцией, заданной формулой
След Tr( X ) определяется как сумма диагональных элементов X и действительнозначного следа по формуле Tr R ( X ) = Re Tr( X ) . След с действительным знаком удовлетворяет:
Это непосредственные следствия известных тождеств для n = 1 .
В A определите ассоциатор как
Он трилинейен и тождественно обращается в нуль, если A ассоциативен. Поскольку A — альтернативная алгебра , [ a , a , b ] = 0 и [ b , a , a ] = 0 . Из поляризации следует, что ассоциатор антисимметричен в своих трех элементах. Более того, если a , b или c лежат в R , то [ a , b , c ] = 0 . Из этих фактов следует, что M 3 ( A ) обладает определенными коммутационными свойствами. Фактически, если X — матрица из M 3 ( A ) с вещественными элементами на диагонали, то
с а в А. Фактически, если Y = [ X , X2 ] , то
Поскольку диагональные элементы X действительны, недиагональные элементы Y исчезают. Каждый диагональный элемент Y представляет собой сумму 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 ( Икс Y + Y Икс ) и внутренний продукт ( Икс , Y ) знак равно Tr р ( Икс 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 йордановая алгебра H3 ( O ) называется алгеброй Альберта по имени А.А. Альберта .
Чтобы проверить, что H n ( A ) удовлетворяет аксиомам евклидовой йордановой алгебры, действительный след определяет симметричную билинейную форму с ( X , X ) = Σ ‖ x ij ‖ 2 . Итак, это внутренний продукт. Он удовлетворяет свойству ассоциативности ( Z ∘ X , Y ) = ( X , Z ∘ Y ) из-за свойств реального следа. Основная аксиома, которую необходимо проверить, — это условие Жордана для операторов L ( X ) , определяемых формулой L ( X ) Y = X ∘ Y :
Это легко проверить, когда A ассоциативна, поскольку M n ( A ) — ассоциативная алгебра, поэтому йордановая алгебра с X ∘ Y = 1/2 ( Икс Y + Y Икс ) . Когда A = O и n = 3, требуется специальное рассуждение, одно из самых коротких принадлежит Фрейденталю (1951). [7]
Фактически, если T находится в H 3 ( O ) с Tr T = 0 , то
определяет кососопряженный вывод H 3 ( O ) . Действительно,
так что
Поляризационные выходы:
Установка Z = 1 показывает, что D кососопряжена. Отсюда следует свойство вывода D ( X ∘ Y ) = D ( X ) ∘ Y + X ∘ D ( Y ) и свойство ассоциативности скалярного произведения в приведенном выше тождестве.
С A и n , как в формулировке теоремы, пусть K будет группой автоморфизмов E = H n ( A ) , оставляющих инвариантным скалярное произведение. Это замкнутая подгруппа группы 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 . (Ввиду самосопряженности диагональные элементы будут действительными.) Из теоремы о диагонализации Фрейденталя немедленно следует условие Жордана, поскольку йордановые произведения на вещественные диагональные матрицы коммутируют на M n ( A ) для любой неассоциативной алгебры A .
Чтобы доказать теорему о диагонализации, возьмем X из E . По 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 ) . Заменяя X на k X , можно считать, что максимум достигается при X . Поскольку симметрическая группа Sn , действующая перестановкой координат, лежит в K , то если X не диагональна, то можно считать, что x 12 и сопряженный к ней x 21 отличны от нуля. Пусть T — кососопряженная матрица с (2, 1) элементом a , (1, 2) элементом — a * и 0 в другом месте, и пусть D — вывод 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 записи настоящие. Производная x 11 ( t ) в t = 0 является координатой (1, 1) [ T , X ] , т.е. a * x 21 + x 12 a = 2( x 21 , a ) . Эта производная отлична от нуля, если a = x 21 . С другой стороны, группа k t сохраняет вещественный след. Поскольку он может изменить только x 11 и x 22 , он сохраняет их сумму. Однако на линии x + y = константа x 2 + y 2 не имеет локального максимума (только глобальный минимум), противоречие. Следовательно, X должен быть диагональным.