stringtranslate.com

Раздельно-комплексное число

В алгебре расщепленное комплексное число (или гиперболическое число , также перплексное число , двойное число ) основано на гиперболической единице j, удовлетворяющей условию расщепленное комплексное число имеет две действительные компоненты x и y и записывается как Сопряженное число z равно Поскольку произведение числа z на его сопряженное число является изотропной квадратичной формой .

Набор D всех расщепленных комплексных чисел для образует алгебру над полем действительных чисел . Два расщепленных комплексных числа w и z имеют произведение wz , которое удовлетворяет Это произведение N над произведением алгебр делает ( D , +, ×, *) композиционной алгеброй .

Подобная алгебра, основанная на ⁠ ⁠ и покомпонентных операциях сложения и умножения, ⁠ ⁠ где xyквадратичная форма на ⁠ ⁠ 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, который нормализован в D .

У расщепленных комплексных чисел есть много других названий; см. § Синонимы ниже. См. статью Переменная двигателя для функций расщепленного комплексного числа.

Определение

Расщепленное 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 расщепленно-комплексные числа от обычных комплексных. Гиперболическая единица j не является действительным числом, а является независимой величиной.

Совокупность всех таких z называется плоскостью расщепленного комплекса . Сложение и умножение чисел расщепленного комплекса определяются как

Это умножение коммутативно , ассоциативно и распространяется относительно сложения.

Сопряженная, модульная и билинейная форма

Так же, как и для комплексных чисел, можно определить понятие расщепленно-комплексного сопряжения . Если

тогда сопряжение z определяется как

Сопряженное число — это инволюция , которая удовлетворяет свойствам, аналогичным свойствам комплексного сопряженного числа . А именно,

Квадрат модуля расщепленного комплексного числа задается изотропной квадратичной формой

Он обладает свойством композиционной алгебры :

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

Соответствующая билинейная форма задается выражением

где и Здесь действительная часть определяется как . Другое выражение для квадрата модуля тогда

Поскольку это не положительно-определенная, эта билинейная форма не является внутренним произведением ; тем не менее, билинейная форма часто упоминается как неопределенное внутреннее произведение . Подобное злоупотребление языком относится к модулю как к норме.

Сплит-комплексное число обратимо тогда и только тогда, когда его модуль ненулевой ( ), таким образом, числа вида x ± jx не имеют обратного. Мультипликативный обратный элемент обратимого элемента задается как

Раздельно-комплексные числа, которые необратимы, называются нулевыми векторами . Все они имеют вид ( a ± ja ) для некоторого действительного числа a .

Диагональная основа

Имеются два нетривиальных идемпотентных элемента, заданных формулами и Напомним, что идемпотент означает, что и Оба этих элемента равны нулю:

Часто удобно использовать e и e в качестве альтернативного базиса для плоскости расщепленного комплекса. Этот базис называется диагональным базисом или нулевым базисом . Число расщепленного комплекса z можно записать в нулевом базисе как

Если обозначить число для действительных чисел a и b как ( a , b ) , то комплексное умножение расщепления задается как

Комплексно-сопряженное число в диагональном базисе задается как , а квадрат модуля — как

Изоморфизм

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

На основе {e, e*} становится ясно, что расщепленно-комплексные числа кольцево изоморфны прямой сумме ⁠ ⁠ со сложением и умножением, определенными попарно.

Диагональный базис для плоскости расщепленных комплексных чисел можно вызвать, используя упорядоченную пару ( x , y ) для и сделав отображение

Теперь квадратичная форма имеет вид : Кроме того,

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

Действие гиперболического версора тогда соответствует при этом линейном преобразовании отображению сжатия

Хотя расщепленная комплексная плоскость и прямая сумма двух действительных прямых лежат в одном и том же классе изоморфизма в категории колец , они различаются по расположению в декартовой плоскости . Изоморфизм, как плоское отображение, состоит из поворота против часовой стрелки на 45° и растяжения на 2 . В частности, растяжение иногда вызывало путаницу в связи с площадями гиперболического сектора . Действительно, гиперболический угол соответствует площади сектора в плоскости ⁠ ⁠ с его «единичной окружностью», заданной выражением Сжатая единичная гипербола расщепленной комплексной плоскости имеет только половину площади в размахе соответствующего гиперболического сектора. Такая путаница может сохраняться, когда геометрия расщепленной комплексной плоскости 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 и часто обозначается ⁠ ⁠ Так же, как большую часть геометрии евклидовой плоскости ⁠ ⁠ можно описать с помощью комплексных чисел, геометрию плоскости Минковского ⁠ ⁠ можно описать с помощью расщепленных комплексных чисел.

Набор точек

является гиперболой для любого ненулевого a в ⁠ ⁠ Гипербола состоит из правой и левой ветви, проходящей через ( a , 0) и (− a , 0) . Случай a = 1 называется единичной гиперболой . Сопряженная гипербола задается формулой

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

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

Говорят, что расщепленные комплексные числа z и w являются гиперболически-ортогональными , если z , w ⟩ = 0 . Хотя это условие аналогично обычной ортогональности, особенно известной в обычной арифметике комплексных чисел, это условие более тонкое. Оно формирует основу для концепции одновременной гиперплоскости в пространстве-времени.

Аналог формулы Эйлера для расщепленно-комплексных чисел:

Эту формулу можно вывести из разложения в степенной ряд, используя тот факт, что cosh имеет только четные степени, тогда как sinh имеет нечетные степени. [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.

Множество всех преобразований плоскости расщепленного комплекса, которые сохраняют модуль (или, что эквивалентно, скалярное произведение), 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 как

и

Экспоненциальная карта

перевод θ во вращение посредством exp( ) является групповым изоморфизмом , поскольку применяется обычная экспоненциальная формула:

Если расщепляемое 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 . При таком описании становится ясно, что расщепленные комплексные числа образуют коммутативную алгебру над действительными числами. Алгебра не является полем , поскольку нулевые элементы необратимы. Все ненулевые нулевые элементы являются делителями нуля .

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

Алгебра расщепленно-комплексных чисел образует композиционную алгебру, поскольку

для любых чисел z и w .

Из определения видно, что кольцо расщепленно-комплексных чисел изоморфно групповому кольцу ⁠ ⁠ циклической группы C2 над действительными числами ⁠ ⁠

Матричные представления

Можно легко представить расщепленные комплексные числа матрицами . Расщепленное комплексное число может быть представлено матрицей

Сложение и умножение расщепленных комплексных чисел затем задаются сложением и умножением матриц. Квадрат модуля z задается определителем соответствующей матрицы.

На самом деле существует много представлений плоскости расщепленного комплекса в четырехмерном кольце действительных матриц 2x2. Действительные кратные единичной матрицы образуют действительную линию в кольце матриц M(2,R). Любая гиперболическая единица m обеспечивает базисный элемент, с помощью которого можно расширить действительную линию до плоскости расщепленного комплекса. Матрицы

квадрат которой к единичной матрице удовлетворяет Например, когда a = 0, то ( b,c ) является точкой на стандартной гиперболе. В более общем случае, существует гиперповерхность в M(2,R) гиперболических единиц, любая из которых служит базисом для представления расщепленно-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 кватернионной алгебре, которая теперь называется расщепленными бикватернионами . Он назвал ее элементы «моторами», термин, параллельный «роторному» действию обычного комплексного числа, взятого из группы окружности . Расширяя аналогию, функции моторной переменной контрастируют с функциями обычной комплексной переменной .

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

Выражение произведений на единичной гиперболе иллюстрирует аддитивность быстрот для коллинеарных скоростей. Одновременность событий зависит от быстроты a ;

представляет собой линию событий, одновременных 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 ) являются гиперболически ортогональными 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 композиционной алгебры . Он понял, что конструкция Кэли–Диксона , используемая для генерации алгебр с делением, может быть модифицирована (с множителем гамма, γ ) для построения других композиционных алгебр, включая расщепленные октонионы. Его нововведение было увековечено Адрианом Альбертом , Ричардом Д. Шефером и другими. [11] Фактор гамма, с R в качестве базового поля, строит расщепленные комплексные числа как композиционную алгебру. Рецензируя Albert для Mathematical Reviews , NH McCoy написал, что было «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 для построения гиперболы с девятью точками треугольника, вписанного в  zz = 1. [14 ]

В 1956 году Мечислав Вармус опубликовал «Исчисление приближений» в Bulletin de l'Académie polonaise des sciences (см. ссылку в разделе «Ссылки»). Он разработал две алгебраические системы, каждую из которых он назвал «приближенными числами», вторая из которых образует действительную алгебру. [15] DH Lehmer просмотрел статью в Mathematical Reviews и заметил, что эта вторая система изоморфна «гиперболическим комплексным» числам, предмету этой статьи.

В 1961 году Уормус продолжил свое изложение, ссылаясь на компоненты приближенного числа, такие как середина и радиус обозначенного интервала.

Синонимы

Разные авторы использовали множество названий для расщепленных комплексных чисел. Вот некоторые из них:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Владимир В. Кисиль (2012) Геометрия преобразований Мёбиуса: эллиптические, параболические и гиперболические действия SL(2,R) , страницы 2, 161, Imperial College Press ISBN  978-1-84816-858-9
  2. Джеймс Кокл (1848) О новом мнимом в алгебре, Philosophical Magazine 33:438
  3. ^ Абстрактная алгебра/2x2 вещественные матрицы в Wikibooks
  4. Джеймс Кокл (1849) О новом воображаемом в алгебре 34:37–47, London-Edinburgh-Dublin Philosophical Magazine (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 перплексных чисел», American Journal of Physics , 54 (5): 416–422, Bibcode : 1986AmJPh..54..416F, doi : 10.1119/1.14605
  9. ^ Луис Кауфман (1985) «Преобразования в специальной теории относительности», Международный журнал теоретической физики 24:223–36.
  10. ^ Собчик, Г. (1995) Hyperbolic Number Plane, также опубликовано в 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. ^ NH McCoy (1942) Обзор книги «Квадратичные формы, допускающие 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, Э. Ф. (1941) «О треугольнике, вписанном в прямоугольную гиперболу», American Mathematical Monthly 48(10): 675–681
  15. M. Warmus (1956) «Исчисление приближений» Архивировано 09.03.2012 в Wayback Machine , Bulletin de l'Académie polonaise des sciences , том 4, № 5, стр. 253–257, MR 0081372
  16. ^ Кри, Джордж К. (1949). Теория чисел системы гиперболических комплексных чисел (диссертация на степень магистра). Университет Макгилла.
  17. ^ Смит, Норман Э. (1949). Введение в теорию гиперболических чисел (диссертация магистра). Университет Макгилла.
  18. ^ Миллер, Уильям; Бёнинг, Рошель (1968). «Гауссовы, параболические и гиперболические числа». Учитель математики . 61 (4): 377–382. doi :10.5951/MT.61.4.0377. JSTOR  27957849.
  19. ^ Розенфельд, Б. (1997) Геометрия групп Ли , стр. 30, Kluwer Academic Publishers ISBN 0-7923-4390-5 

Дальнейшее чтение