Сплит-комплексное число - Split-complex number
В абстрактная алгебра, а разделить комплексное число (или же гиперболическое число, также номер недоумения, двойной номер) имеет два настоящий номер составные части Икс и у, и написано z = Икс + у j, куда j2 = 1. В сопрягать из z является z∗ = Икс − у j. С j2 = 1, произведение числа z со своим конъюгатом zz∗ = Икс2 − у2, изотропная квадратичная форма, N(z) = Икс2 − у2.
Коллекция D всех разделенных комплексных чисел z = Икс + у j за Икс, у ∈ р образует алгебра над полем действительных чисел. Два сплит-комплексных числа ш и z есть продукт wz это удовлетворяет N(wz) = N(ш)N(z). Эта композиция N над произведением алгебры делает (D, +, ×, *) а композиционная алгебра.
Аналогичная алгебра, основанная на р2 и покомпонентные операции сложения и умножения, (р2, +, ×, ху), куда ху это квадратичная форма на р2, также образует квадратичное пространство. В изоморфизм колец
связывает пропорциональные квадратичные формы, но отображение нет ан изометрия поскольку мультипликативное тождество (1, 1) р2 находится на расстоянии √2 от 0, который нормирован в D.
У разделенных комплексных чисел есть много других имен; видеть § Синонимы ниже. См. Статью Переменная двигателя для функций расщепленного комплексного числа.
Определение
А расщепленное комплексное число - это упорядоченная пара действительных чисел, записанная в виде
куда Икс и у находятся действительные числа и количество j удовлетворяет
Выбор приводит к сложные числа. Именно это изменение знака отличает расщепленные комплексные числа от обычных комплексных. Количество j здесь не действительное число, а независимая величина.
Собрание всего такого z называется расщепленная комплексная плоскость. Добавление и умножение разделенных комплексных чисел определяются
Это умножение коммутативный, ассоциативный и распределяет сверх сложения.
Сопряженная, модульная и билинейная форма
Как и для комплексных чисел, можно определить понятие сплит-комплексное сопряжение. Если
конъюгат z определяется как
Сопряжение обладает свойствами, аналогичными обычному комплексно сопряженному. А именно,
Эти три свойства подразумевают, что комплексно-расщепляемое сопряжение является автоморфизм из порядок 2.
В модуль расщепленного комплексного числа z = Икс + j у дается изотропная квадратичная форма
Он имеет композиционная алгебра свойство:
Однако эта квадратичная форма не положительно определенный а скорее имеет подпись (1, −1), поэтому модуль нет а норма.
Связанный билинейная форма дан кем-то
куда z = Икс + j у и ш = ты + j v. Другое выражение для модуля тогда
Поскольку она не является положительно определенной, эта билинейная форма не является внутренний продукт; тем не менее, билинейную форму часто называют неопределенный внутренний продукт. Подобное злоупотребление языком относится к модулю как к норме.
Сплит-комплексное число обратимо если и только если его модуль отличен от нуля (), таким образом Икс ± j Икс не имеют обратного. В мультипликативный обратный обратимого элемента задается формулой
Необратимые расщепляемые комплексные числа называются нулевые векторы. Это все в форме (а ± j а) для какого-то реального числа а.
Диагональное основание
Есть два нетривиальных идемпотентные элементы данный е = (1 − j)/2 и е∗ = (1 + j)/2. Напомним, что идемпотент означает, что ее = е и е∗е∗ = е∗. Оба эти элемента равны нулю:
Часто удобно использовать е и е∗ в качестве альтернативы основа для расщепленной комплексной плоскости. Эта основа называется диагональное основание или же нулевая основа. Сплит-комплексное число z можно записать в нулевом базисе как
Если обозначить число z = ае + быть∗ для реальных чисел а и б к (а, б), то расщепляемое комплексное умножение дается формулой
Исходя из этого, становится ясно, что расщепляемые комплексные числа кольцевой изоморфный на прямую сумму р ⊕ р со сложением и умножением, определенными попарно.
Сплит-комплексно-сопряженный в диагональном базисе равен
и модуль на
Хотя лежат в том же классе изоморфизма в категория колец, разделенная комплексная плоскость и прямая сумма двух вещественных линий различаются по своему расположению в Декартова плоскость. Изоморфизм как планарное отображение состоит из поворота против часовой стрелки на 45 ° и расширение к √2. Расширение, в частности, иногда вызывает путаницу в связи с областями гиперболический сектор. В самом деле, гиперболический угол соответствует площадь сектора в р ⊕ р плоскость с ее "единичной окружностью", заданной {(а, б) ∈ р ⊕ р : ab = 1}. Сжатый «единичный круг» {cosh а + j грех а : а ∈ р ⊕ р} разделенно-комплексной плоскости имеет только половина площади в пролете соответствующего гиперболического сектора. Такая путаница может сохраняться, если геометрия плоскости расщепленного комплекса не отличается от геометрии плоскости р ⊕ р.
Геометрия
Двумерный реальный векторное пространство с внутренним произведением Минковского называется (1 + 1)-размерный Пространство Минковского, часто обозначаемый р1,1. Столько же геометрия евклидовой плоскости р2 можно описать комплексными числами, геометрия плоскости Минковского р1,1 можно описать комплексными числами.
Набор точек
это гипербола для каждого ненулевого а в р. Гипербола состоит из правой и левой ветвей, проходящих через (а, 0) и (−а, 0). Дело а = 1 называется гипербола единиц. Сопряженная гипербола задается формулой
с прохождением верхней и нижней ветви (0, а) и (0, −а). Гипербола и сопряженная гипербола разделены двумя диагональными асимптоты которые образуют набор нулевых элементов:
Эти две строки (иногда называемые нулевой конус) находятся перпендикуляр в р2 и имеют наклон ± 1.
Сплит-комплексные числа z и ш как говорят гиперболо-ортогональный если ⟨z, ш⟩ = 0. Хотя это условие аналогично обычной ортогональности, в частности, в обычной арифметике комплексных чисел, это условие более тонкое. Он составляет основу одновременная гиперплоскость концепция в пространстве-времени.
Аналог Формула Эйлера для разделенных комплексных чисел
Это можно вывести из степенной ряд расширение, используя тот факт, что шиш имеет только четные полномочия, в то время как для грех обладает странными способностями. Для всех реальных значений гиперболический угол θ расщепленное комплексное число λ = ехр (jθ) имеет норму 1 и лежит на правой ветви единичной гиперболы. Такие числа, как λ, были названы гиперболические версоры.
Поскольку λ имеет модуль 1, умножение любого расщепляемого комплексного числа z к λ сохраняет модуль z и представляет собой гиперболическое вращение (также называемый Повышение лоренца или сжатие ). Умножение на λ сохраняет геометрическую структуру, принимая гиперболы на себя, а нулевой конус - на себя.
Набор всех преобразований разделенной комплексной плоскости, которые сохраняют модуль (или, что то же самое, внутреннее произведение), образует группа называется обобщенная ортогональная группа О (1, 1). Эта группа состоит из гиперболических вращений, образующих подгруппа обозначенный ТАК+(1, 1)в сочетании с четырьмя дискретный размышления данный
- и
Экспоненциальная карта
отправка θ к повороту на exp (jθ) это групповой изоморфизм поскольку применяется обычная экспоненциальная формула:
Если комплексное число z не лежит на одной из диагоналей, то z имеет полярное разложение.
Алгебраические свойства
В абстрактная алгебра слагаемые, комплексные числа с разбиением можно описать как частное из кольцо многочленов р[Икс] посредством идеальный генерируется многочлен Икс2 − 1,
- р[Икс]/(Икс2 − 1).
Образ Икс в частном - "мнимая" единица j. Из этого описания ясно, что расщепленные комплексные числа образуют коммутативное кольцо с характеристика 0. Более того, если мы определим скалярное умножение очевидным образом, расщепленные комплексные числа образуют коммутативную и ассоциативная алгебра измерения два над реалами. Алгебра нет а алгебра с делением или же поле поскольку нулевые элементы необратимы. Все ненулевые нулевые элементы являются делители нуля.
Поскольку сложение и умножение являются непрерывными операциями по отношению к обычной топологии плоскости, расщепленные комплексные числа образуют топологическое кольцо.
Алгебра расщепляемых комплексных чисел образует композиционная алгебра поскольку
- для любых номеров z и ш.
Из определения очевидно, что кольцо расщепляемых комплексных чисел изоморфно кольцу групповое кольцо р[C2] из циклическая группа C2 над реальными числами р.
Матричные представления
Комплексные числа с разбиением легко представить как матрицы. Сплит-комплексное число
можно представить матрицей
Сложение и умножение комплексных чисел с разбиением затем задаются сложением и умножением матриц. Модуль упругости z дается детерминант соответствующей матрицы. В этом представлении расщепленное комплексное сопряжение соответствует умножению с обеих сторон на матрицу
Для любого реального числа а, гиперболическое вращение на гиперболический угол а соответствует умножению на матрицу
Диагональный базис для плоскости разделенных комплексных чисел может быть вызван с помощью упорядоченной пары (Икс, у) за и составление карты
Теперь квадратичная форма Более того,
так что двое параметризованный гиперболы приведены в соответствие с S.
В действие из гиперболический версор то соответствует при этом линейном преобразовании сжатие
Обратите внимание, что в контексте 2 × 2 вещественные матрицы на самом деле существует множество различных представлений комплексных чисел с разбиением на части. Приведенное выше диагональное представление представляет собой Иорданская каноническая форма матричного представления расщепленных комплексных чисел. Для разделенного комплексного числа z = (Икс, у) задается следующим матричным представлением:
его каноническая форма Иордании определяется следующим образом:
куда и
История
Использование разделенных комплексных чисел восходит к 1848 году, когда Джеймс Кокл показал его тессарины.[1] Уильям Кингдон Клиффорд использовали комплексные числа с разделением для представления суммы спинов. Клиффорд ввел использование разделенных комплексных чисел в качестве коэффициентов в алгебре кватернионов, которая теперь называется сплит-бикватернионы. Он назвал его элементы «двигателями», термин, параллельный действию «ротора» обычного комплексного числа, взятого из круговая группа. Продолжая аналогию, функции моторная переменная отличие от функций обычного комплексная переменная.
С конца двадцатого века сложное умножение с расщеплением обычно рассматривалось как Повышение лоренца из пространство-время самолет.[2][3][4][5][6][7] В этой модели число z = Икс + у j представляет собой событие в пространственно-временной плоскости, где Икс измеряется в наносекундах и у в Ноги Мермина. Будущее соответствует квадранту событий {z : |у| < Икс}, который имеет расщепленное комплексное полярное разложение . Модель говорит, что z можно добраться из исходной точки, введя точка зрения из быстрота а и жду ρ наносекунды. Расщепленное комплексное уравнение
выражение произведений на единичной гиперболе иллюстрирует аддитивность быстрот для коллинеарных скоростей. Одновременность событий зависит от быстроты а;
это линия событий, одновременная с началом в системе отсчета с быстротой а.
Два события z и ш находятся гиперболо-ортогональный когда z∗ш + zw∗ = 0. Канонические события exp (эй) и j ехр (эй) являются гиперболическими ортогональными и лежат на осях системы отсчета, в которой события, одновременные с началом координат, пропорциональны j ехр (эй).
В 1933 г. Макс Зорн использовал сплит-октонионы и отметил композиционная алгебра свойство. Он понял, что Конструкция Кэли-Диксона, используемый для создания алгебр с делением, может быть изменен (с фактором гамма (γ)) для построения других композиционных алгебр, включая расщепленные октонионы. Его новаторство было увековечено Адриан Альберт, Ричард Д. Шафер и другие.[8] Гамма-фактор с ℝ в качестве базового поля строит расщепляемые комплексные числа как композиционную алгебру. Обзор Альберта для Математические обзоры, Н. Х. Маккой писал, что было «введение некоторых новых алгебр порядка 2.е над F обобщающие алгебры Кэли – Диксона ".[9] Принимая F = ℝ и е = 1 соответствует алгебре данной статьи.
В 1935 г. Дж. К. Винно 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, República Argentina (на испанском). Эти разъяснительные и педагогические эссе представляют предмет для широкой оценки.[10]
В 1941 году Э.Ф. Аллен применил геометрическую арифметику с расщепленными комплексами, 9-точечная гипербола треугольника, вписанного вzz∗ = 1.[11]
В 1956 году Мечислав Вармус опубликовал «Исчисление приближений» в Bulletin de l’Académie Polonaise des Sciences (см. ссылку в Справочнике). Он разработал две алгебраические системы, каждую из которых он назвал «приближенными числами», вторая из которых образует действительную алгебру.[12] Д. Х. Лемер просмотрел статью в Математические обзоры и заметил, что эта вторая система изоморфна «гиперболическим комплексным» числам, предмету данной статьи.
В 1961 году Вармус продолжил свое изложение, ссылаясь на компоненты приблизительного числа как на середину и радиус обозначенного интервала.
Синонимы
Разные авторы использовали множество названий комплексных чисел с разбиением на части. Некоторые из них включают:
- (настоящий) тессарины, Джеймс Кокл (1848)
- (алгебраический) моторы, W.K. Клиффорд (1882)
- гиперболические комплексные числа, Ж.К.Вино (1935)
- двумерные числа, У. Бенчивенга (1946)
- приблизительные цифры, Warmus (1956), для использования в интервальный анализ
- контркомплекс или же гиперболический числа из музеев гиперчислов
- двойные числа, И. М. Яглом (1968), Кантор и Солодовников (1989), Hazewinkel (1990), Руни (2014)
- анормально-комплексные числа, В. Бенц (1973)
- недоуменные числа, П. Фьелстад (1986) и Poodiack & LeClair (2009)
- Числа Лоренца, Ф. Харви (1990)
- гиперболические числа, Г. Собчик (1995)
- паракомплексные числа, Кручану, Фортуни и Гадеа (1996)
- полусложные числа, Ф. Антонуччо (1994)
- разделить бинарионы, К. МакКриммон (2004)
- разделенные комплексные числа, Б. Розенфельд (1997)[13]
- пространственно-временные числа, Н. Борота (2000)
- Номера исследований, П. Лунесто (2001)
- двакомплексных числа, С. Олариу (2002)
Сплит-комплексные числа и их многомерные родственники (сплит-кватернионы / кокватернионы и сплит-октонионы ) иногда назывались "числами Музея", поскольку они являются подмножеством программы гиперчислов, разработанной Шарль Мусес.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Джеймс Кокл (1849) О новом воображаемом в алгебре 34:37–47, Лондон-Эдинбург-Дублинский философский журнал (3) 33: 435–9, ссылка с Библиотека наследия биоразнообразия.
- ^ Франческо Антонуччо (1994) Полусложный анализ и математическая физика
- ^ Ф. Катони, Д. Боккалетти, Р. Канната, В. Катони, Э. Ничелатти, П. Зампетти. (2008) Математика пространства-времени Минковского, Birkhäuser Verlag, Базель. Глава 4: Тригонометрия на плоскости Минковского. ISBN 978-3-7643-8613-9.
- ^ Франческо Катони; Дино Боккалетти; Роберто Канната; Винченцо Катони; Паоло Зампетти (2011). «Глава 2: Гиперболические числа». Геометрия пространства-времени Минковского. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-17977-8.
- ^ Фьельштадт, П. (1986) "Расширение специальной теории относительности с помощью загадочных чисел ", Американский журнал физики 54 :416.
- ^ Луи Кауфман (1985) "Преобразования в специальной теории относительности", Международный журнал теоретической физики 24:223–36.
- ^ Собчик, Г. (1995) Плоскость гиперболических чисел, также опубликовано в Журнал математики колледжа 26:268–80.
- ^ Роберт Б. Браун (1967)Об обобщенных алгебрах Кэли-Диксона, Тихоокеанский математический журнал 20 (3): 415–22, ссылка с Проект Евклид.
- ^ Н. Х. Маккой (1942) Обзор книги А.А. Квадратичные формы, допускающие композицию. Альберт, Математические обзоры #0006140
- ^ Винно, Ж. (1935) "Sobre el numero complejo hiperbolico y su relacion con la geometria de Borel", Contribucion al Estudio de las Ciencias Fisicas y Matematicas, Национальный университет де ла Плата, Республика Аргентина
- ^ Аллен, Э.Ф. (1941) "На треугольнике, вписанном в прямоугольную гиперболу", Американский математический ежемесячный журнал 48(10): 675–681
- ^ М. Вармус (1956) «Исчисление приближений», Bulletin de l'Académie Polonaise des Sciences, Vol. 4, № 5, с. 253–257, МИСТЕР0081372
- ^ Розенфельд, Б. (1997) Геометрия групп Ли, стр.30, Kluwer Academic Publishers ISBN 0-7923-4390-5
- Бенчивенга, Ульдрико (1946) "Sulla rappresentazione geometrya delle algebre doppie dotate di modulo", Atti della Reale Accademia delle Scienze e Belle-Lettere di Napoli, Сер (3) т.2 No7. МИСТЕР0021123.
- Уолтер Бенц (1973) Vorlesungen uber Geometrie der Algebren, Springer
- Н. А. Борота, Э. Флорес и Т. Дж. Ослер (2000) "Пространственно-временные числа - легкий путь", Математика и компьютерное образование 34: 159–168.
- Н. А. Борота и Т. Дж. Ослер (2002) "Функции пространственно-временной переменной", Математика и компьютерное образование 36: 231–239.
- К. Кармоди, (1988) "Круглые и гиперболические кватернионы, октонионы и седенионы", Appl. Математика. Comput. 28: 47–72.
- К. Кармоди, (1997) "Круговые и гиперболические кватернионы, октонионы и седенионы - дальнейшие результаты", Appl. Математика. Comput. 84: 27–48.
- Уильям Кингдон Клиффорд (1882) Математические работы, Редактор A. W. Tucker, стр. 392, "Дополнительные сведения о бикватернионах"
- В.Кручану, П. Фортуни и П.М. Гадеа (1996) Обзор паракомплексной геометрии, Журнал математики Роки-Маунтин 26 (1): 83–115, ссылка с Проект Евклид.
- Де Бур, Р. (1987) "Также известный как список недоуменных чисел", Американский журнал физики 55(4):296.
- Энтони А. Харкин и Джозеф Б. Харкин (2004) Геометрия обобщенных комплексных чисел, Математический журнал 77(2):118–29.
- Ф. Риз Харви. Спиноры и калибровки. Academic Press, Сан-Диего. 1990 г. ISBN 0-12-329650-1. Содержит описание нормированных алгебр с неопределенной сигнатурой, включая числа Лоренца.
- Хазевинкль, М. (1994) «Двойные и двойственные числа», Энциклопедия математики, Советский / AMS / Kluwer, Dordrect.
- Кевин МакКриммон (2004) Вкус иорданских алгебр, стр 66, 157, Universitext, Springer ISBN 0-387-95447-3 МИСТЕР2014924
- C. Musès, "Прикладные гиперчисла: вычислительные концепции", Appl. Математика. Comput. 3 (1977) 211–226.
- C. Musès, "Hypernumbers II - Дальнейшие концепции и вычислительные приложения", Appl. Математика. Comput. 4 (1978) 45–66.
- Олариу, Сильвиу (2002) Комплексные числа в N измерениях, Глава 1: Гиперболические комплексные числа в двух измерениях, страницы 1–16, North-Holland Mathematics Studies # 190, Эльзевир ISBN 0-444-51123-7.
- Poodiack, Роберт Д. и Кевин Дж. Леклер (2009) "Основные теоремы алгебры для недоумений", Математический журнал колледжа 40(5):322–35.
- Исаак Яглом (1968) Комплексные числа в геометрии, перевод Э. Примроуза с русского оригинала 1963 г., Академическая пресса С. 18–20.
- Дж. Руни (2014). «Обобщенные комплексные числа в механике». В Марко Чеккарелли и Викторе А. Глазунове (ред.). Успехи теории и практики роботов и манипуляторов: материалы Romansy 2014 XX симпозиум CISM-IFToMM по теории и практике роботов и манипуляторов. Механизмы и машиноведение. 22. Springer. С. 55–62. Дои:10.1007/978-3-319-07058-2_7. ISBN 978-3-319-07058-2.