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¿Qué significa para representar un número en el plazo de un $2\times2$ matriz?

Hoy mi amigo me mostró que el número imaginario puede ser representado en términos de una matriz

$$i = \pmatrix{0&-1\\1&0}$$

Esto era muy confuso para mí, porque nunca he pensado en ello como una matriz. Pero es evidente que las propiedades de número imaginario se mantiene incluso en esta representación, es decir, $i\cdot i = -1$

Aún más confuso es que un montón de cantidades que pueden ser representados por matrices

$$e^{i\theta} = \pmatrix{\cos\theta&-\sin\theta\\ \sin\theta&\cos\theta}$$

Naturalmente, me pregunto si se puede realizar esto para cualquier número. ¿Cuál es la gran imagen de aquí? ¿Qué es esta operación se llama convertir un número en una matriz. ¿Cuál es la más profunda implicación - ¿de qué manera esta ayuda?

100 puntos a cualquier persona que puede responder a esta de una manera integral.

26voto

Bill Cook Puntos 17167

Su amigo significaba que todo el complejo los números pueden ser representados por dichas matrices.

$$a+bi = \begin{pmatrix} a & b \\ b & \end{pmatrix}$$

La adición de números complejos coincide con la adición de tales matrices y multiplicación de números complejos coincide con la multiplicación de tales matrices.

Esto significa que la colección de matrices:

$$R = \left\{ \begin{pmatrix} a & b \\ b & \end{pmatrix} \;\Bigg|\; a,b \in \mathbb{R} \right\}$$

es "isomorfo" para el campo de los números complejos.

Específicamente,

$$i = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$$

Observe que para esta matriz $i^2=-I_2=-1$. :)

¿Cómo ayuda?

Se permite construir los números complejos a partir de matrices sobre los reales. Esto le permite llegar a algunas propiedades de los números complejos a través de álgebra lineal.

Por ejemplo: El módulo de un número complejo es de $|a+bi|=a^2+b^2$. Este es el mismo que el determinante de dicha matriz. Ahora ya que el determinante de un producto es el producto de un factor determinante, $|z_1z_2|=|z_1|\cdot |z_2|$ para cualquiera de los dos números complejos $z_1$ y $z_2$.

Otro buen empate, la transposición de los partidos de la conjugación. :)

Edit: Según la petición, un poco acerca de la fórmula de Euler.

La función exponencial puede ser definida en un número de maneras. Una buena manera es a través de su serie de MacLaurin: $e^x = 1+x+\frac{x^2}{2!}+\cdots$. Si usted comienza a pensar de $x$ como algún tipo de indeterminant, usted puede comenzar a preguntarse, "¿Qué puedo conectarlo en esta serie?" Resulta que la serie: $$e^a = I+A+\frac{A^2}{2!}+\frac{a^3}{3!}+\cdots$$ converge para cualquier matriz cuadrada $$ (usted tiene que hacer sentido de "convergente la serie de matrices").

Considere la posibilidad de un "real", $x$, codificado como una de nuestras matrices: $$x=\begin{pmatrix} x & 0 \\ 0 & x \end{pmatrix} \quad \mbox{entonces} \quad e^x = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} x & 0 \\ 0 & x \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} x^2/2 & 0 \\ 0 & x^2/2 \end{pmatrix} + \cdots$$ $ $ a= \begin{pmatrix} 1+x+x^2/2+\cdots & 0 \\ 0 & 1+x+x^2/2+\cdots \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} e^x & 0 \\ 0 & e^x \end{pmatrix} = e^x$$

(No hay sorpresa) la matriz exponencial y el buen viejo real exponencial de hacer la misma cosa.

Ahora uno puede preguntar, "¿Qué hace la exponencial de un número complejo llegar?" Resulta que... $$\mbox{Dado } a+bi = \begin{pmatrix} a & b \\ b & \end{pmatrix} \quad \mbox{entonces} \quad e^{a+bi} = \begin{pmatrix} e^a\cos(b) & -e^a\sin(b) \\ e^a\sin(b) y e^a\cos(b) \end{pmatrix}$$ ...esto implica algunos (?intermedio?) álgebra lineal.

De todos modos aceptar que, hemos encontrado que $e^{a+bi} = e^(\cos(b)+i\sin(b))$. En particular, $$e^{i\theta} = \begin{pmatrix} \cos(\theta) & -\sin(\theta) \\ \sin(\theta) & \cos(\theta) \end{pmatrix}$$ Así que $$e^{i\pi} = \begin{pmatrix} -1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} = -1$$

Podemos ver de esta manera que el complejo de exponenciación (con el imaginario puro exponente) produce una matriz de rotación. Por lo tanto nos lleva por un camino para iniciar la identificación de los complejos de la aritmética con 2-dimensional de las transformaciones geométricas.

Por supuesto, hay muchas otras maneras de llegar a estas relaciones. La matriz de la ruta no es la forma más rápida y fácil de la ruta, pero es interesante contemplar.

Espero que ayude un poco. :)

13voto

Anthony Shaw Puntos 858

Vamos $$ I=\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}\etiqueta{1} $$ y $$ J=\begin{bmatrix}0&-1\\1&0\end{bmatrix}\etiqueta{2} $$

Desde $I$ es la matriz identidad, ya sea multiplicando por la izquierda o por la derecha, deja todas las matrices virgen. Por lo tanto, $I$ tiene las propiedades de $1$.

El hecho clave aquí es que $J^2=-I$. Si $I$ es $1$ entonces $J$ representaría $i$.

Como se argumentó anteriormente, $I$ conmuta con todas las matrices; en particular, $J$. Es decir, $IJ=J=JI$.

Escalar y multiplicación de la matriz distribuir a través de la suma de la matriz. Por lo tanto, $$ (xI+yJ)+(uI+vJ)=(x+u)I+(y+v)J\etiqueta{3} $$ y $$ (xI+yJ)(uI+vJ)=(xu-yv)I+(xv+yu)J\etiqueta{4} $$ Con $I$ que representa $1$ y $J$, que representan $i$, $(3)$ y $(4)$ corresponden exactamente con complejo de la adición y la multiplicación.

Desde la analítica de funciones puede ser escrito como la serie que involucran la suma y multiplicación de números complejos, las funciones pueden ser traducidos directamente a las correspondientes funciones relativas a $I$ y $J$.

Por ejemplo $$ \begin{align} \exp(xI+yJ) &=\sum_{n=0}^\infty\frac{(xI+yJ)^n}{n!}\\ &=\sum_{n=0}^\infty\sum_{k=0}^n\frac1{n!}\binom{n}{k}(xI)^{n-k}(yJ)^k\\ &=\sum_{n=0}^\infty\sum_{k=0}^n\frac{(xI)^{n-k}}{(n-k)!}\frac{(yJ)^k}{k!}\\ &=\sum_{n=0}^\infty\frac{(xI)^n}{n!}\sum_{k=0}^\infty\frac{(yJ)^k}{k!}\\ &=\sum_{n=0}^\infty\frac{(xI)^n}{n!}\left(\sum_{k=0}^\infty\frac{(yJ)^{2k}}{(2k)!}+\sum_{k=0}^\infty\frac{(yJ)^{2k+1}}{(2k+1)!}\right)\\ &=\sum_{n=0}^\infty\frac{x^n}{n!}I\left(\sum_{k=0}^\infty(-1)^k\frac{y^{2k}}{(2k)!}I+\sum_{k=0}^\infty(-1)^k\frac{y^{2k+1}}{(2k+1)!}J\right)\\[9pt] y=e^xI(\cos(y)I+\sin(y)J)\\[15pt] y=e^x\cos(y)+e^x\sin(y)J\etiqueta{5} \end{align} $$ Podemos reescribir $(5)$ como $$ \exp\left(\begin{bmatrix}x y-y\\y&x\end{bmatrix}\right) =\begin{bmatrix}e^x\cos(y)&-e^x\sin(y)\\e^x\sin(y)&e^x\cos(y)\end{bmatrix}\etiqueta{6} $$


De esta manera, podemos reformular casi cualquier fórmula que involucra números complejos en términos de matrices utilizando el isomorfismo $$ x+yi\leftrightarrow\overbrace{\begin{bmatrix}x y-y\\y&x\end{bmatrix}}^{xI+yJ}\etiqueta{7} $$ Por ejemplo, el conjugado complejo está representado por la transpuesta $$ \overline{x+yi}=x-yi\leftrightarrow\begin{bmatrix}x&y\\-y&x\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}x&-y\\y&x\end{bmatrix}^T\tag{8} $$ y el cuadrado del valor absoluto está representado por el determinante veces $I$ $$ \begin{align} |x+yi|^2 =(x+yi)\overbrace{(x-yi)\vphantom{\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix}}}^{\text{conjugado}} &\leftrightarrow\begin{bmatrix}x y-y\\y&x\end{bmatrix} \overbrace{\begin{bmatrix}x&y\\-y y x\end{bmatrix}}^{\text{transponer}}\\ &=\begin{bmatrix}x^2+y^2&0\\0&x^2+y^2\end{bmatrix}\\ &=\det\begin{bmatrix}x y-y\\y&x\end{bmatrix}I\etiqueta{9} \end{align} $$ No es de extrañar, el recíproco es representado por la matriz inversa $$ \begin{array}{c} \dfrac1{x+yi}&=&\dfrac{x-yi}{|x+yi|^2}\\ \updownarrow&&\updownarrow\\ \begin{bmatrix}x y-y\\y&x\end{bmatrix}^{-1} &=&\begin{bmatrix}x&y\\-y&x\end{bmatrix}\left(\det\begin{bmatrix}x&-y\\y&x\end{bmatrix}I\right)^{-1}\tag{10} \end{array} $$

12voto

Leon Katsnelson Puntos 274

El punto es que el operador $\phi: \mathbb{C} \{\cal R}$, donde ${\cal R} = \{ \pmatrix{a&b\\b&r}\}_{a,b \in \mathbb{R}}$ se define por $\phi(a+ib) = \pmatrix{a&b\\b&r}$, cumple con algunas condiciones, a saber: $\phi$ es un bijection, $\phi(1) = I$, $\phi(z_1 z_2) = \phi(z_1) \phi(z_2)$, donde la multiplicación es el número complejo multiplicación por la izquierda y la multiplicación de la matriz de la izquierda, y del mismo modo $\phi(z_1 + z_2) = \phi(z_1) + \phi(z_2)$ (donde $+$ significa que el correspondiente esfuerzo en $\mathbb{R}$ y ${\cal R}$).

Además, usted tiene $|z| = \|\phi(z)\|$ (la inducida por la norma Euclídea), por lo que si $|z|=1$, podemos escribir $z=e^{i\theta} = \cos \theta + \sin \theta$ y por lo que $\phi(e^{i\theta}) = \pmatrix{\cos \theta &- \sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta}$. También, $\phi(\bar{z}) = \phi(z)^T$.

Uno puede escribir $\phi(z) = \phi(\operatorname{re} z) + \phi(\operatorname{im} z)\phi(i) = (\operatorname{re} z) I + (\operatorname{im} z) J$, donde $I$ es la matriz de identidad y $\phi(i) = J= \pmatrix{0&-1\\1&0}$ (un poco lamentable que $i$ asigna a $J$). Por supuesto, ${\cal R} = \operatorname{sp} \{ I, J\}$ y $J^2 = -I$.

Desde $\phi$ es una isometría, podemos ver que si $f$ tiene una potencia de la serie representación $f(z) = \sum_k f_k z^k$para $z\in B(z_0,R)$, entonces tenemos $\phi(f(z)) = \phi(\sum_k f_k z^k) = \sum_k \phi(f_k) \phi(z)^k$. Representaciones de $\exp, \pecado, \cos$, etc. de ello se derivan.

La operación $\phi$ es llamado un anillo de isomorfismo.

Identifica complejo de la multiplicación con cambios de escala y rotaciones en $\mathbb{R}^2$, que proporciona algunos geométrica de conocimiento.

7voto

Emilio Novati Puntos 15832

Creo que el "big picture" se expresa en la Artin–teorema de Wedderburn.

Esto es (creo) la más importante de la clasificación teorema de la teoría de anillos. En su forma general, el teorema clasifica a todos los semisimple los anillos, pero en cuanto a esta cuestión, es suficiente señalar que, como su consecuencia:

Cada finito-dimensional simple álgebra de más de $\mathbb{R}$ se puede representada como una matriz de anillo de más de $\mathbb{R}$, $\mathbb{C}$, o $\mathbb{H}$ ( los cuaterniones).

Vemos que $\mathbb{C}$ es un espacio vectorial de dimensión $2$ más de $\mathbb{R}$ y es un simple álgebra ya que su única ideales son el cero ideal y $\mathbb{C}$ en sí.

Por lo que la A. W. teorema establece que $\mathbb{C}$ debe ser isomorfo a una matriz de anillo. Desde $\mathbb{C}$ es un álgebra conmutativa de la matriz de anillo tiene que ser conmutativa ( y eventualmente un campo debido a que $\mathbb{C}$ es un campo), y las matrices OP dar un ejemplo de un anillo.

Tenga en cuenta que esta representación de la matriz no es única ( véase, por ejemplo, Ambiguo representación de la matriz de la unidad imaginaria?) pero todas las representaciones son isomorfos.

Espero que esta respuesta dar una lo suficientemente grande.

5voto

Shabaz Puntos 403

La reclamación correcta es que se puede representar a $i = \pmatrix{0&-1\\1&0}$ y cualquier número complejo $a+bi$ como $a+bi = \pmatrix{a&b\\b&r}$ La justificación es que se puede demostrar que la adición y multiplicación de números complejos corresponde a la adición y la multiplicación de las matrices utilizando las reglas habituales. Este es un isomorfismo, que consideramos como una identidad.

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