19 votos

Si hay 3nion, 5nion, 7nion, 9nion, 10nion, etc.

Los cuaterniones/octonion extender los números complejos, los cuales se extienden los números reales. Así que ir a:

  • 1-tupla: números Reales.
  • 2-tupla: números Complejos.
  • 4-tupla: Cuaterniones.
  • 8-tupla: Octonions.

El enlace de Wikipedia describe esta duplicación proceso:

En matemáticas, el de Cayley–Dickson construcción, nombrado después de que Arthur Cayley y Leonard Eugene Dickson, produce una secuencia de álgebras sobre el campo de los números reales, cada uno con dos veces la dimensión de la anterior.

Pero si estos son sólo los vectores en el final, me pregunto si hay vectores en las dimensiones impares 3, 5, etc., o de otro tipo no-poder-de-dos dimensiones como 10, 12, etc.. de Esta manera no sería potencialmente más general de construcción de describir el vector, y el poder de los dos casos sería un caso especial, una especie de cosa.

20voto

sewo Puntos 58

El teorema de Frobenius dice que la única finito-dimensional asociativa de la división de álgebras de más de $\mathbb R$ son exactamente $\mathbb R$, $\mathbb C$ e $\mathbb H$, hasta isomorfismo.

El octonions no están en esta lista, pero no son muy bien educados; su multiplicación no es ni asociativa. Y sólo empeora a medida que avanza el Cayley-Dickson secuencia.

(Como Fabio Lucchini señala, Hurwitz del teorema establece que si usted no requieren de la asociatividad, pero aún desea que el álgebra tener inversas y una norma que está de acuerdo con la multiplicación, consigue $\mathbb R$, $\mathbb C$, $\mathbb H$, y también se $\mathbb O$, pero nada más).

En algún momento las cosas se ponen tan mal que uno puede preguntarse si no sería más bien que considerar, por ejemplo, $\mathbb R^3$ con el producto cruzado. O simplemente declarar al azar bilineal mapa de $V\times V\to V$ a ser su multiplicación.

8voto

Draconis Puntos 198

Henning Makholm la respuesta explica esto muy bien. Pero he aquí otra manera de pensar en ella, si quieres un poco de intuición sobre por qué funciona de esa manera.

Los números reales, números complejos, y cuaterniones son todos los relacionados con el álgebra geométrica. En particular, pensar acerca de cómo los números complejos representar rotaciones y la escala en dos dimensiones: $i$ es un período de noventa grados de rotación en el plano. Del mismo modo, cuaterniones representar rotaciones y la escala en tres dimensiones, con $i, j, k$ actuando como noventa grados rotaciones en los tres planos ortogonales ($xy, yz, zx$). Y si usted hace esto, usted puede pensar de los números reales como la representación de "rotación y escalado" en una dimensión, donde no hay ningún avión a girar, así que es realmente de escala.

¿Qué sucede cuando usted extender a cuatro dimensiones y de arriba? Así, las rotaciones en cuatro dimensiones complicarse. En tres dimensiones y a continuación, cada rotación es "simple": puede ser representado como un plano de rotación y un ángulo dentro de ese plano. En cuatro dimensiones, que deja de funcionar. Porque en cuatro dimensiones, que puede tener dos planos que no son paralelas y no se intersecan (tales como el $xy$-plane y el $zw$-plane). Si usted girar en ambos planos al mismo tiempo, no hay un único "plano de rotación".

La rotación y la escala de representación en cuatro dimensiones tendría ocho elementos $\langle 1, xy, xz, xw, yz, yw, zw, xyzw\rangle$, donde el último es lo que usted consigue cuando usted multiplica $xy$ por $zw$ y realmente no puede ser visualizado, excepto como un "dirigida en el hiperespacio". (Formalmente, es un quadvector, también conocido como un de cuatro palas, pero ninguna de esas palabras realmente ayuda.) Y debido a que las rotaciones no son simples, la matemática deja de funcionar tan bien, así que éste no obtiene su propio nombre: se relaciona con la octonions, pero no es lo mismo.

Usted puede seguir más, pero las matemáticas sólo se pone más complicada y confusa y menos y menos elegante. Si usted intenta esto en cinco dimensiones, se obtiene una relación de la "sedenions", con dieciséis elementos. Y así sucesivamente y así sucesivamente. El sedenions son útiles si desea trabajar con rotaciones en cinco dimensiones, pero no es generalmente necesario para hacerlo, y que está muy feo y no se que emocionante en general. Así que la mayoría de la gente simplemente no se preocupan por ellos.

Si quieres ver más, los "cambios de escala y rotaciones" son formalmente llamado incluso Clifford sub-álgebra en $n$ dimensiones, que se escribe como $Cl^{+}_{n}$ o $Cl^{[0]}_{[0,n]}(\mathbb{R})$. (Suena mucho más complicado de lo que es.)

TL;DR: los reales, los complejos, y cuaterniones tiene el número de elementos que hacen porque les corresponden a las rotaciones y cambios de escala en un espacio particular. Otros números de elementos no tienen esa correspondencia, y de mayores dimensiones de los espacios de ensuciarse un poco y se vuelven menos elegante.

1voto

Travis Puntos 30981

Por supuesto, uno puede definir reales espacios vectoriales $\Bbb R^n$ para cualquier entero positivo $n$. Lo que distingue a los números reales ($\Bbb R$), el de los números complejos ($\Bbb C$), cuaterniones ($\Bbb H$), y octonions $(\Bbb O)$ es una estructura adicional, incluyendo una operación de multiplicación $\Bbb A \times \Bbb A \to \Bbb A$.

Hurwitz Teorema establece que (hasta el isomorfismo) son, precisamente, todos de la normativa de la división de álgebras de más de $\Bbb R$. Estas son las álgebras de más de $\Bbb R$ (1) con la propiedad de que la $x y = 0$ implica $x = 0$ o $y = 0$ y (2) un multiplicativo norma $||\,\cdot\,||$ (por lo tanto, la satisfacción de $||x y|| \leq ||x||\,||y||$). (Para una verdaderamente agradable introducción a esta rica círculo de ideas, recomiendo altamente Juan Báez' clásico artículo de La Octonions.)

Todavía se puede definir, sin embargo, otros canónica operaciones algebraicas $\Bbb A \times \Bbb A \to \Bbb A$ en verdaderos espacios vectoriales $\Bbb A = \Bbb R^n$ durante varios pequeño $n$ que todavía tiene otras propiedades interesantes, y la normativa álgebras de división y el de Cayley-Dickson construcción de conducir naturalmente a muchos de estos.

Por ejemplo, cada uno de la normativa de la división de álgebras está equipado con un (involutiva) lineal conjugación de operación $\bar\cdot : \Bbb A \to \Bbb A$ compatible con la adición, la multiplicación y la norma operaciones (por $\Bbb R$ esto es sólo el trivial mapa, para $\Bbb C, \Bbb H, \Bbb O$ estos son sólo los habituales de la conjugación de los mapas). En cada caso, la $+1$-subespacio propio de la conjugación del mapa es sólo la copia de $\Bbb R$, y para el $-1$-autoespacio tiene dimensión $\dim \Bbb A - 1$. Denotamos el último espacio de $\operatorname{Im} \Bbb A$ (por lo tanto, como un espacio vectorial es isomorfo a $\Bbb R^{\dim \Bbb A - 1}$), denotan la proyección de $\Bbb A \to \operatorname{Im} \Bbb A$ sobre el $\operatorname{Im}$, y llame a sus elementos imaginarios. Ahora, $\Bbb A \times \Bbb A \to \operatorname{Im} \Bbb A$, $(x, y) \mapsto \operatorname{Im} (x \bar y)$, restringe a un nuevo sesgo de simetría binario de operación, $$\times:\operatorname{Im} \Bbb A \times \operatorname{Im} \Bbb A \to \operatorname{Im} \Bbb A .$$ In particular, these operations do not have identities (after all, the identity $1 \en \Bbb$ no es imaginario).

Para $\Bbb A = \Bbb R$ e $\Bbb A = \Bbb C$, esta construcción sólo conduce a la cero mapa en $\Bbb R^0$ e $\Bbb R^1$---así que, no es muy interesante.

Para $\Bbb A = \Bbb H$, $\times : \Bbb R^3 \times \Bbb R^3 \to \Bbb R^3$ no es otra cosa que la conocida cruz de productos, la recuperación de Henning Makholm la sugerencia. Seguimiento a través de las definiciones (y haciendo unos sencillos cálculos) muestra que la asociatividad de $\Bbb H$ implica la triple cruz de la identidad del producto $({\bf x} \times {\bf y}) \times {\bf z} = \langle {\bf y}, {\bf z} \rangle {\bf x} - \langle {\bf x}, {\bf z} \rangle {\bf y}$ a $\Bbb R^3$, y la formación de la cíclico suma de esta identidad en la ${\bf x}, {\bf y}, {\bf z}$ da la identidad de Jacobi, $$({\bf x} \times {\bf y}) \times {\bf z} + ({\bf y} \times {\bf z}) \times {\bf x} + ({\bf z} \times {\bf x}) \times {\bf y} = {\bf 0} ,$$ por lo $\times$ es en realidad el soporte de la operación de una real Mentira álgebra, es decir, $\mathfrak{so}(3, \Bbb R)$. (NB que $\times$ sí es no asociativo.) De manera más general, cualquier propiedad de la multiplicación en $\Bbb A$ induce una propiedad de $\times$ a $\operatorname{Im} \Bbb A$.

Para $\Bbb A = \Bbb O$, $\times : \Bbb R^7 \times \Bbb R^7 \to \Bbb R^7$ es algo exótico $7$-dimensiones de producto cruzado. No satisface la identidad de Jacobi, por lo que no es el soporte de algunos Mentira álgebra, sino que está íntimamente relacionado con el (la compacta forma real) de la excepcional Mentira álgebra $\mathfrak{g}_2$.

Podemos generar más ejemplos canónicos de estructuras algebraicas en $\Bbb R^n$ si lo modificamos el Cayley-Dickson de la construcción mediante la definición de una adecuada álgebra $\Bbb A$ la regla de la multiplicación $$(a, b)(c, d) := (ac \color{red}{+} \bar d, da + b \bar c)$$ on $\Bbb A \times \Bbb$ (replacing the red $\color{rojo}{+}$ with $-$ gives the usual Cayley-Dickson construction). If we successively apply this again to $\Bbb R$, producimos la división de números complejos ($\widetilde {\Bbb C}$), el split-cuaterniones ($\widetilde {\Bbb H}$), y la división-octonions ($\widetilde {\Bbb O}$), respectivamente, de la dimensión de $2, 4, 8$. Estos no son normativa de la división de álgebras---en lugar de una norma, estas están equipadas con una forma cuadrática indefinida, haciendo de ellos la composición de álgebras (y junto con los cuatro normativa álgebras de división, esto representa todos los bienes de la composición de álgebras de hasta isomorfismo). Estas álgebras, como el nombre y la notación sugieren, comparten muchas funciones algebraicas con sus nonsplit contrapartes. Dos son en realidad familiar: Como $\Bbb R$-álgebras, $\widetilde{\Bbb C} \cong \Bbb R \oplus \Bbb R$ e $\widetilde{\Bbb H} \cong M(2, \Bbb R)$ (el espacio de $2 \times 2$ real matrices). En particular, a diferencia de la normativa de la división de álgebras, estas álgebras tiene divisores de cero.

La misma construcción como antes, ahora se dirige a un "split" de la cruz del producto en $\Bbb R^3$ que puede ser comprendido como la Mentira de soporte en $\mathfrak{sl}(2, \Bbb R) \cong \mathfrak{so}(1, 2)$, así como un "split" de la cruz del producto en $\Bbb R^7$. En ambos casos se trata de no equivalentes a la cruz de los productos descritos anteriormente.

Finalmente, ocurre algo especial en la configuración dividida que no tiene análogo en la normativa de la división de álgebra de ajuste: Hasta el isomorfismo, hay un $6$-dimensiones álgebra $\Bbb S \cong \Bbb R^6$, $\widetilde{\Bbb H} \subset \Bbb S \subset \widetilde{\Bbb O}$, único hasta el isomorfismo se llama, por supuesto, la sextonions. Resulta que (pero no es inmediatamente obvio) que los de split $7$-dimensiones producto cruzado restringe a una operación binaria en $\operatorname{Im} \Bbb S \cong \Bbb R^5$.

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