воскресенье, 2 февраля 2020 г.

Скалярное и псевдоскалярное произведения в двумерных алгебрах

Этот пост был задуман как справочный, сводящий в таблицу скалярное и псевдоскалярное произведения для алгебр, которые лишь двумерные. Это комплексные, паракомплексные и дуальные числа. Полное понимание скалярного и псевдоскалярного произведений, на мой взгляд, может прийти лишь после рассмотрения и их свойств и применений в различных алгебрах. Но, тем не менее, начнем.

Скалярное произведение определяется для гиперкомплексных алгебр как: $$ S(a,b)=Re(Scl(a\overline{b})) $$ Скалярное произведение имеет ключевое свойство коммутативности по своим аргументам при применении к любым алгебрам: $$ S(a,b)=S(b,a) $$ Вообще говоря, как для коммутативных, так и для некоммутативных алгебр выполняется: $$ Re(Scl(a\overline{b}))=Re(Scl(\overline{a}b)) = $$ $$ =Re(Scl(\overline{b}a))=Re(Scl(b\overline{a})) $$ Псевдоскалярное произведение определяется для гиперкомплексных алгебр как: $$ S^*(a,b)=Im(Scl(a\overline{b})) $$ И также как и скалярное произведение имеет свойство коммутативности: $$ Im(Scl(a\overline{b}))=Im(Scl(\overline{a}b)) = $$ $$ =Im(Scl(\overline{b}a))=Im(Scl(b\overline{a})) $$ Здесь взятие мнимой части для двумерных алгебр есть взятие мнимой части, взятие скалярной части для двумерных алгебр есть взятие самого числа, поскольку оно и есть скаляр, а не вектор (но двумерный). Применение же взятия мнимой части от скалярной части есть обращение за мнимой единицей $I$ в бикватернионах и бикомплексных числах. В них мнимая единица $I$ считается скалярной, а единицы i, j, k - векторными. В алгебрах которые лишь двумерны, есть соглашение обозначать мнимой единицей i скалярную мнимую единицу.

Рассмотрим применение скалярного и псевдоскалярного произведений к алгебре комплексных чисел. Для комплексных чисел $$ i^2=-1 $$ $$ (a_0+ia_1)(b_0+ib_1)= $$ $$ =a_0b_0+a_1b_1+i(a_1b_0-a_0b_1) $$ Соответственно, для комплексных чисел скалярное и псевдоскалярное произведения равны следующим выражениям: $$ S(a,b)=a_0b_0+a_1b_1 $$ $$ S^*(a,b)=a_1b_0-a_0b_1 $$ Для паракомплексных чисел закон умножения мнимой единицы имеет вид: $$ i^2=1 $$ $$ (a_0+ia_1)(b_0+ib_1)= $$ $$ =a_0b_0-a_1b_1+i(a_1b_0-a_0b_1) $$ Соответственно, для паракомплексных чисел скалярное и псевдоскалярное произведения равны следующим выражениям: $$ S(a,b)=a_0b_0-a_1b_1 $$ $$ S^*(a,b)=a_1b_0-a_0b_1 $$ Для дуальных чисел закон умножения мнимых единиц имеет вид: $$ i^2=0 $$ $$ (a_0+ia_1)(b_0+ib_1)= $$ $$ =a_0b_0+i(a_1b_0-a_0b_1) $$ Соответственно, для дуальных чисел скалярное и псевдоскалярное произведения равны следующим выражениям: $$ S(a,b)=a_0b_0 $$ $$ S^*(a,b)=a_1b_0-a_0b_1 $$ Теперь мы можем сличить полученные три результата и сделать выводы, что скалярные произведения в этих трех алгебрах различны, поскольку в них различны значения $i^2$. Но псевдоскалярные произведения в этих алгебрах одинаковы, поскольку в них мнимая единица, естественно, коммутирует по умножению с действительной единицей. В определенном смысле коммутирование как операция может быть использована для выделения скалярной части.

Также ясно видно, что псевдоскалярное произведение это не то же самое что скалярное, но для других компонент. Это и другое произведение и оно имеет другие свойства.

Одним из важных свойств как скалярного, так и псевдоскалярного произведений, является инвариантность их значений при преобразованиях осей, являющихся ортогональными. К таким относится произведение на величину, чей модуль равен единице. Если $|c|=1$, то при $$ a\rightarrow ac $$ $$ b\rightarrow bc $$ произведение $ab$ преобразуется в $$ a\overline{b}\rightarrow ac\overline{c}\overline{b}=a\overline{b}|c|^2 =a\overline{b} $$ Таким образом, величины $$ S(a,b)=Re(Scl(a\overline{b})) $$ $$ S^*(a,b)=Im(Scl(a\overline{b})) $$ остаются инвариантными.

Другим свойством скалярного и псевдоскалярного произведений является то, что при смене ориентирования осей скалярное произведение не изменяется, а псевдоскалярное меняет знак. В силу симметричности по индексам $S(a,b)$ и антисимметричности по индексам $S^*(a,b)$ при смене знака либо $$ a_0\rightarrow -a_0 $$ $$ b_0\rightarrow -b_0 $$ либо при $$ a_1\rightarrow -a_1 $$ $$ b_1\rightarrow -b_1 $$ произведения преобразуются: $$ S(a,b)\rightarrow S(a,b) $$ $$ S^*(a,b)\rightarrow -S^*(a,b) $$ Очевидно, что как скалярное, так и псевдоскалярное произведение составляют соответствующие части взаимного отношения гиперкмплексных чисел $$ a\overline{b} $$ Пока могу лишь предположить, что если проводить многократно процедуру удвоения алгебр по Кэли, то после комплексных и бикомплексных чисел можно получить и другие коммутативные алгебры, скажем трикомплексную, в которой псевдоскалярное произведение может иметь несколько форм в зависимости от того, что именно будет пониматься в взятии мнимой части $$ Im(Scl(a\overline{b})) $$ если этих мнимых частей несколько и все они скалярные.

Вполне можно допустить, что в таких алгебрах псевдоскалярное произведение окажется многомерным,как векторное, поскольку в этих алгебрах и скалярных мнимых единиц несколько. И, в этом случае, было бы логично условливаться, что и сама мнимая единица входит в результат псевдоскалярного произведения.

Одним из наиболее важных и часто используемых свойств скалярного произведения является то, что скалярное произведение объекта на самого себя характеризует величину самого этого объекта: $$ S(a,a)=Re(Scl(a\overline{a}))=|a|^2 $$ И, в отличие от скалярного произведения, псевдоскалярное произведение объекта на самого себя всегда равно нулю, поскольку в величине $$ a\overline{a}=|a|^2 $$ вообще отсутствуют мнимые единицы. Точнее говоря, присутствуют, но значения этих компонент всегда равны 0.

Поэтому равенство нулю псевдоскалярного произведения может быть использовано как условие коллинеарности объектов.

Комментариев нет:

Отправить комментарий