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双曲四元数

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双曲四元数(そうきょくしげんすう、英: hyperbolic quaternions)は、分裂四元数(英語版)またはクリフォード代数 Cl(1,1) に対応する 4 次元実代数を指す仮称である。

標準四元数と同様に基底 {1, i, j, k} を持つが、虚数単位の平方が となる点が特徴である[1]。

数学的には、分裂四元数と完全に同型である。

定義

双曲四元数 q は、 で表され、積は により定義される。

これにより が従う。

分裂四元数との同型

分裂四元数 ℍ' を、基底 {1, e1, e2, e1e2} と で定義する。

写像 を と定めると、積の保存 が成立し、φ は同型写像である。

クリフォード代数との関係

分裂四元数 ℍ' は、以下と同型であることが知られている:

  • Cl(1,1) は 1 個の負平方元、1 個の正平方元を持つクリフォード代数
  • M2(ℝ) は 2×2 実行列全体

双曲四元数は、この連鎖の中に自然に位置づけられる。

行列表現

対応 は、双曲四元数と M2(ℝ) の同型を与える[2]。

ノルム

共役 に対し、ノルム を得る。

符号が (+, −, −, +) の「分裂型」計量であり、 N(q) ≠ 0 のときに限り逆元が存在する。

クリフォード代数

体系の中での位置づけ(図式)

クリフォード代数の標準的分岐図における位置づけは次の通り:

さらに、

  • 標準四元数:
  • 分裂四元数:

である。

同型性の厳密証明(ε–δ レベルの代数的厳密性)

以下では、双曲四元数 ℍ"Hと分裂四元数 ℍ' の同型

が「代数として」同型であることを、基底同型と積構造保存の ε–δ 形式に近い厳密さで示す。

代数同型の定義

実代数 (A, B) に対し、写像 が 代数同型 であるとは:

  1. φ は線形写像
  2. 単位元の保存
  3. 積の保存
  4. 双射である(全単射)

線形性の証明

分裂四元数の任意元 に対し、φ は これは係数の線形写像 として作用し、線形性は係数レベルで自明に成立。

積の保存

基底の積だけ確認すればよい(双線形性のため)。分裂四元数の積 に対し、双曲四元数では 写像 φ のもとで これで積が保存される。

全単射性

φ は基底を基底に写す線形写像なので、

行列表示すると ゆえに可逆。

したがって全単射。

結論

以上より、φ は代数同型である: すなわち、双曲四元数は分裂四元数と数学的に完全同型である。

行列表現とクリフォード代数との一致

2×2 実行列代数 M2(ℝ) はクリフォード代数 の既約表現である。

写像 はクリフォード生成子 を満たすため、 と一致する。

関連項目

出典

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