воскресенье, 23 октября 2022 г.

Матричное представление кокватернионов

Кокватернионы образуют 4-мерную подалгебру бикватернионов, некоммутативную и содержащую делители нуля. Разберемся, как они могут быть представлены в матричном виде.

Для того, чтобы сохранить уже привычное обозначение кокватернионных мнимых единиц, сохраним обозначение из основной алгебры, из бикватернионов: $$ Q=q_0+Iiq_1+Ijq_2+Ikq_3+Iq_4+iq_5+jq_6+kq_7 $$ здесь i, j, k - кватернионные единицы и I - мимая единица ($I^2=-1$), коммутирующая с остальными.

В алгебру кокватернионов входят действительная часть ($q_0$), две полярные (пара из набора $Ii$, $Ij$ или $Ik$) и одна из аксиальных (i, j, k), которая не содержится в паре полярных. А именно, если есть ранее обозначенный бикватернион $Q$, то подалгебры образуют наборы единиц: $$ \left( \begin{array}{cccc} 1 & Ii & Ij & k \end{array} \right) $$ $$ \left( \begin{array}{cccc} 1 & Ij & Ik & i \end{array} \right) $$ $$ \left( \begin{array}{cccc} 1 & Ik & Ii & j \end{array} \right) $$ Выберем для определенности первую тройку единиц и раскроем произведение двух кокватернионов: $$ \begin{array}{c} b=ax=(a_0+Iia_1+Ija_2+ka_3)\cdot \\ \cdot(x_0+Iix_1+Ijx_2+kx_3)= \\ =a_0x_0+Iia_0x_1+Ija_0x_2+ka_0x_3+\\ +Iia_1x_0+a1x_1-ka_1x_2-Ija_1x_3+\\ +Ija_2x_0+ka_2x_1+a_2x_2+Iia_2x_3+\\ +ka_3x_0+Ija_3x_1-Iia_3x_2-a_3x_3 \end{array}$$ Приравняв компоненты при мнимых единицах, получим: $$ \begin{array}{c} b_0=a_0x_0+a_1x_1+a_2x_2-a_3x_3 \\ b_1=a_1x_0+a_0x_1-a_3x_2+a_2x_3 \\ b_2=a_2x_0+a_3x_1+a_0x_2-a_1x_3 \\ b_3=a_3x_0+a_2x_1-a_1x_2+a_0x_3 \end{array} $$ И в качестве матричного представления кокватерниона получаем: $$ a=\left( \begin{array}{cccc} a_0 & a_1 & a_2 & a_3 \\ a_1 & a_0 & a_3 & a_2 \\ a_2 & a_3 & a_0 & a_1 \\ a_3 & a_2 & a_1 & a_0 \end{array} \right) $$ Соответственно, используя отображение из одного представления в другое, мы можем выполнять часть операций как в метричном, так и в гиперкомплексном представлении.

Полимодуль кокватерниона, вычисленный как определитель матричного представления, есть полином 4-го порядка: $$ P(x)=(x_0^2-x_1^2-x_2^2+x_3^2)^2 $$ Поскольку в произведении квадратов полиномов второго порядка $$ a^2b^2=(ab)^2 $$ этот квадрат неаметен, оперируют не четвертой, а второй степенью: $$ |x|^2=x_0^2-x_1^2-x_2^2+x_3^2 $$ Представленный вариант матрицы $x\times 4$ был получен из закона произведений мнимых единиц кокватернионов. Хотя, выступая в качестве подалгебры бикватернионов, кокватернионы имеют 3 набора мнимых единиц, их внутренние законы произведений совпадают. Поэтому таким способом можно получить только одно матричное представление.

Другим вариантом получить матричное представление кокватернионов будет использование симплектического матричного представления бикватернионов. В этом случае мы получаем 3 различных матричных представления $2\times 2$.

Первое получаем из первого набора единиц подалгебры: $$ \left( \begin{array}{cccc} 1 & Ii & Ij & k \end{array} \right) $$ $$ 1\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right) $$ $$ Ii\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} -1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right) $$ $$ Ij\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 0 & i \\ -i & 0 \end{array} \right) $$ $$ k\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 0 & i \\ i & 0 \end{array} \right) $$ Для второго набора единиц: $$ 1\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right) $$ $$ Ij\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 0 & i \\ -i & 0 \end{array} \right) $$ $$ Ik\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 0 & -1 \\ -1 & 0 \end{array} \right) $$ $$ i\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} i & 0 \\ 0 & -i \end{array} \right) $$ И для третьего набора единиц: $$ 1\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right) $$ $$ Ik\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 0 & -1 \\ -1 & 0 \end{array} \right) $$ $$ Ii\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} -1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right) $$ $$ j\Leftrightarrow \left( \begin{array}{cc} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{array} \right) $$ Любопытно, что третий вариант оказался не содержащим комплексной мнимой единицы $i$ совсем.

Также любопытно, что в свой приезд в Россию Роджер Пенроуз высказывался о кватернионах как о малопригодных для теории относительности объектах, разрабатываемые им твисторы выглядят практически как кокватернионы. Можно предположить, что он использовал второй вариант симплектического представления. Поэтому, если Роджер Пенроуз решит оставаться в рамках симплектического представления кокватернионов, то у него есть еще два варианта их представлений.

В теории относительности кокватернионы как сокращенный вариант бикватернионов представляют плоскость образованную двумя полярными векторами плюс время плюс аксиальный вектор, как-бы перпендикуляр или нормаль к этой плоскости. И общей группе преобразований Лоренца и вращений в 3-мерном пространстве соответствует то же самое но в 2-мерном пространстве.

Ссылки по теме

Комментариев нет:

Отправить комментарий