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 xy — квадратичная 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.
Расщепленное 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 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.
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 .
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
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 .
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( 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.
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( jθ ) 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 .
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
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
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.
Разные авторы использовали множество названий для расщепленных комплексных чисел. Вот некоторые из них: