Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из нормированной алгебры с делением )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В математике , теорема Гурвица является теорема Адольфа Гурвица (1859-1919), опубликованной посмертно в 1923 году, решая задачу Гурвица для конечномерных унитальных вещественных неассоциативных алгебр , наделенных положительно определенной квадратичной формы . Теорема утверждает , что если квадратичная форма определяет гомоморфизм в положительные действительные числа на ненулевую части алгебры, то алгебра должна быть изоморфна с вещественными числами , в комплексных числа , в кватернионах или томуоктонионы . Такие алгебры, иногда называемые алгебрами Гурвица , являются примерами композиционных алгебр .

Впоследствии теория композиционных алгебр была обобщена на произвольные квадратичные формы и произвольные поля . [1] Из теоремы Гурвица следует, что мультипликативные формулы для сумм квадратов могут встречаться только в 1, 2, 4 и 8 измерениях, результат, первоначально доказанный Гурвицем в 1898 году. Это частный случай проблемы Гурвица , решенный также в Радоне ( 1922) . Последующие доказательства ограничений на размерность были даны Экманном (1943) с использованием теории представлений конечных групп и Ли (1948) и Шевалле (1954) с использованием алгебр Клиффорда . Теорема Гурвица применялась валгебраической топологии к задачам о векторных полей на сфере и гомотопических групп этих классических групп [2] и в квантовой механике к классификации простых алгебр Иордании . [3]

Евклидовы алгебры Гурвица [ править ]

Определение [ править ]

Гурвицева алгебра или композиционная алгебра является конечномерен не обязательно ассоциативная алгебра с единицей , снабженное невырожденной квадратичной формы Q таким образом, что д ( A B ) = Q ( )  д ( б ) . Если базовое поле коэффициентов - это вещественные числа, а q положительно определено, так что ( a ,  b ) =1/2[ q ( a + b ) - q ( a ) - q ( b )] - скалярное произведение , тогда A называется евклидовой алгеброй Гурвица или (конечномерной) нормированной алгеброй с делением . [4]

Если A - евклидова алгебра Гурвица и a принадлежит A , определите инволюцию и операторы правого и левого умножения как

Очевидно, инволюция имеет период два и сохраняет внутренний продукт и норму. Эти операторы обладают следующими свойствами:

  • инволюция является антиавтоморфизмом, т.е. ( a b ) * = b *  a *
  • а а * = ‖  а  ‖ 2  1 = а *  а
  • L ( a *) = L ( a ) * , R ( a *) = R ( a ) * , так что инволюция на алгебре соответствует взятию сопряженных
  • Re ( a b ) = Re ( b a ), если Re  x = ( x + x *) / 2 = ( x , 1) 1
  • Re ( a b )  c = Re  a ( b c )
  • L ( a 2 ) = L ( a ) 2 , R ( a 2 ) = R ( a ) 2 , так что A - альтернативная алгебра .

Эти свойства доказываются, исходя из поляризованной версии тождества ( a b ,  a b ) = ( a ,  a ) ( b ,  b ) :

Установка b = 1 или d = 1 дает L ( a *) = L ( a ) * и R ( c *) = R ( c ) * .

Следовательно, Re ( a b ) = ( a b , 1) 1 = ( a ,  b *) 1 = ( b a , 1) 1 = Re ( b a ) .

Аналогично Re ( a b ) c = (( a b ) c , 1) 1 = ( a b ,  c *) 1 = ( b ,  a *  c *) 1 = ( bc , a *) 1 = ( a ( bc ), 1 ) 1 = Re a ( b c ) .

Следовательно (( ab ) *, c) = ( ab , c *) = ( b , a * c *) = (1, b * ( a * c *)) = (1, ( b * a *) c * ) = ( b * a *, c ) , так что ( ab ) * = b * a * .

По поляризованному тождеству ‖  a  ‖ 2  ( c ,  d ) = ( a c ,  a d ) = ( a *  a c ,  d ), поэтому L ( a *) L ( a ) = ‖  a  ‖ 2 . В применении к 1 это дает a *  a = ‖  a  ‖ 2 . Замена на в * дает другую личность.

Подставляя формулу для a * в L ( a *)  L ( a ) = L ( a *  a ), получаем L ( a ) 2 = L ( a 2 ) .

Классификация [ править ]

Обычно проверяют, что действительные числа R , комплексные числа C и кватернионы H являются примерами ассоциативных евклидовых алгебр Гурвица с их стандартными нормами и инволюциями. Есть , кроме того естественные включения RCH .

Анализ такого включения приводит к конструкции Кэли – Диксона , формализованной А. А. Альбертом . Пусть A - евклидова алгебра Гурвица, а B - собственная подалгебра с единицей, то есть евклидова алгебра Гурвица сама по себе. Выберите единичный вектор J в A ортогональна к B . Поскольку ( j , 1) = 0 , то j * = - j и, следовательно, j 2 = −1 . Пусть C - подалгебра, порожденная B и j. Она унитальна и снова является евклидовой алгеброй Гурвица. Он удовлетворяет следующим законам умножения Кэли-Диксона :

B и B J ортогональны, так как J ортогонален B . Если a находится в B , то j a = a *  j , поскольку по ортогональному 0 = 2 ( j ,  a *) = j a - a *  j . Формула инволюции следующая. Для того, чтобы показать , что BB J замкнуто относительно умножения Bj = J B . Поскольку B j ортогонален 1, ( b j ) * = - b j .

  • b ( c j ) = ( c b ) j, поскольку ( b ,  j ) = 0, так что для x в A , ( b ( c j ),  x ) = ( b ( j x ),  j ( c j )) = - ( b ( jx ),  c *) = - ( c b , ( j x ) *) = - (( c b ) j ,  x *) = (( c b ) j ,  x) .
  • ( j c ) b = j ( b c ) с учетом вышеупомянутых сопряженных элементов.
  • ( b j ) ( c j ) = - c *  b, поскольку ( b ,  c j ) = 0, так что для x в A , (( b j ) ( c j ),  x ) = - (( c j ) x *,  b j ) = ( b x *, ( c j ) j ) = - ( c *  b ,  x ) .

Наложение мультипликативности нормы на C для a + b j и c + d j дает:

что приводит к

Следовательно, d ( a c ) = ( d a ) c , так что B должен быть ассоциативным .

Этот анализ применит к включению R в C и C в H . Взяв O = HH с указанным выше произведением и внутренним произведением, мы получим некоммутативную неассоциативную алгебру, порожденную J = (0, 1) . Это восстанавливает обычное определение октонионов или чисел Кэли . Если евклидово алгебра, она должна содержать R . Если это строго больше , чем R , аргумент выше , показывает , что она содержит C . Если он больше, чем C , он содержит H. Если он больше еще, она должна содержать O . Но на этом процесс должен остановиться, потому что O не ассоциативен. На самом деле Н не является коммутативным и ( б J ) = ( б а ) J ≠ ( а б ) J в O . [5]

Теорема. Единственные евклидовы алгебры Гурвица - это действительные числа, комплексные числа, кватернионы и октонионы.

Другие доказательства [ править ]

Доказательства Ли (1948) и Шевалле (1954) используют алгебры Клиффорда, чтобы показать, что размерность N матрицы A должна быть 1, 2, 4 или 8. Фактически операторы L ( a ) с ( a , 1) = 0 удовлетворяют L ( a ) 2 = −‖  a  ‖ 2 и, таким образом, образует вещественную алгебру Клиффорда. Если единичный вектор, то L ( ) кососим- сопряженный с квадратным - я . Значит, N должно быть либочетное или 1 (в этом случае A не содержит единичных векторов, ортогональных 1). Реальная алгебра Клиффорда и ее комплексификация действуют на комплексификацию A , N -мерного комплексного пространства. Если N четно, N - 1 нечетно, поэтому алгебра Клиффорда имеет ровно два комплексных неприводимых представления размерности 2 N / 2 - 1 . Так что сила 2 должна разделить N . Легко видеть, что это означает, что N может быть только 1, 2, 4 или 8.

Доказательство Экмана (1954) использует теорию представлений конечных групп или проективную теорию представлений элементарных абелевых 2-групп, которая, как известно, эквивалентна теории представлений вещественных алгебр Клиффорда. Действительно, взяв ортонормированный базис e i ортогонального дополнения к 1, мы получим операторы U i = L ( e i ), удовлетворяющие

Это проективное представление прямого произведения N - 1 групп порядка 2. ( предполагается, что N больше 1.) Операторы U i по построению кососимметричны и ортогональны. Фактически Экманн построил операторы этого типа несколько другим, но эквивалентным способом. Фактически, это метод, первоначально использованный Гурвицем (1923) . [6] Предположим, что существует закон композиции для двух форм.

где z i является билинейным по x и y . Таким образом

где матрица T ( x ) = ( a ij ) линейна по x . Приведенные выше отношения эквивалентны

Письмо

отношения становятся

Теперь положим V i = ( T N ) t T i . Таким образом, V N = I и V 1 , ...,  V N - 1 кососопряжены, ортогональны, удовлетворяя точно таким же соотношениям, что и U i :

Поскольку V i - ортогональная матрица с квадратом - I в вещественном векторном пространстве, N четно.

Пусть G - конечная группа, порожденная такими элементами v i , что

где ε является центральным порядка 2. Коммутатор [ G ,  G ] образован как раз из 1 и ε . Если N нечетно, это совпадает с центром, а если N четно, центр имеет порядок 4 с дополнительными элементами γ = v 1 ... v N - 1 и ε  γ . Если g в G не находится в центре, его класс сопряженности в точности равен g и ε g . Таким образом, существует 2 N - 1 + 1 класса сопряженности дляN нечетных и 2 N - 1 + 2 для N четных. G имеет |  G / [ G ,  G ] | = 2 N - 1 одномерных комплексных представлений. Общее количество неприводимых комплексных представлений - это количество классов сопряженности. Итак, поскольку N четно, есть еще два неприводимых комплексных представления. Так как сумма квадратов измерений равна |  G  | и размеры разделяют |  G  | , две неприводимые должны иметь размерность 2 ( N- 2) / 2 . Когда N четно, их два, и их размерность должна делить порядок группы, так же как и степень двойки, поэтому они оба должны иметь размерность 2 ( N - 2) / 2 . Пространство, в котором действует V i , может быть комплексным. Она будет иметь комплексную размерность N . Он распадается на некоторые из сложных неприводимых представлений группы G , все из которых имеют размерность 2 ( N - 2) / 2 . В частности, это измерениеN , поэтому N меньше или равно 8. Если N = 6 , размер равен 4, что не делит 6. ИтакN может быть только 1, 2, 4 или 8.

Приложения к йордановым алгебрам [ править ]

Пусть алгебра евклидовой Гурвица и пусть М п ( ) алгебра п матрицу с размерностью п матриц над А . Это единичная неассоциативная алгебра с инволюцией, заданной формулой

След Tr ( X ) определяется как сумма диагональных элементов X и вещественного следа формулой Tr R ( X ) = Re Tr ( X ) . След с действительным знаком удовлетворяет:

Это непосредственные следствия известных тождеств при n = 1 .

В A определите ассоциатор как

Оно трилинейно и тождественно обращается в нуль, если A ассоциативно. Поскольку A - альтернативная алгебра, [ a ,  a ,  b ] = 0 и [ b ,  a ,  a ] = 0 . Из поляризации следует, что ассоциатор антисимметричен в трех своих элементах. Кроме того, если a , b или c лежат в R, то [ a ,  b ,  c ] = 0 . Из этих фактов следует, что M 3 ( A )обладает определенными коммутационными свойствами. Фактически, если X - матрица в M 3 ( A ) с действительными элементами на диагонали, то

с в A . Фактически, если Y = [ X ,  X 2 ] , то

Поскольку диагональные элементы X действительны, недиагональные элементы Y равны нулю. Каждый диагональный элемент из Y представляет собой сумму двух ассоциаторами с участием только от диагональных членов X . Поскольку ассоциаторы инвариантны относительно циклических перестановок, диагональные элементы Y равны.

Пусть H n ( A ) - пространство самосопряженных элементов в M n ( A ) с произведением XY =1/2( X Y + Y X ) и внутреннее произведение ( X ,  Y ) = Tr R ( X Y ) .

Теорема. H n ( A ) является евклидовой йордановой алгеброй, если A ассоциативна (действительные числа, комплексные числа или кватернионы) и n ≥ 3 или если A неассоциативна (октонионы) и n = 3 .

Исключительная йорданова алгебра Н 3 ( О ) называется алгебра Альберт после того, как А. Альберт .

Чтобы проверить, что H n ( A ) удовлетворяет аксиомам евклидовой йордановой алгебры, вещественный след определяет симметричную билинейную форму с ( X ,  X ) = ∑ ‖  x ij  ‖ 2 . Так что это внутренний продукт. Он удовлетворяет свойству ассоциативности ( ZX ,  Y ) = ( X ,  ZY ) из-за свойств реального следа. Основная аксиома, которую необходимо проверить, - это условие Жордана для операторов L ( X ), определенных L (X ) Y = XY :

Это легко проверить, когда A ассоциативна, поскольку M n ( A ) - ассоциативная алгебра, поэтому йорданова алгебра с XY =1/2( X Y + Y X ) . Когда A = O и n = 3, требуется особый аргумент, один из самых коротких из которых принадлежит Фройденталю (1951) . [7]

Фактически, если T находится в H 3 ( O ) с Tr  T = 0 , то

определяет кососопряженное дифференцирование H 3 ( O ) . В самом деле,

так что

Поляризационные выходы:

Установка Z = 1 показывает, что D кососопряжен. Свойство вывода D ( XY ) = D ( X ) ∘ Y + XD ( Y ) следует из этого и свойства ассоциативности скалярного произведения в тождестве выше.

Используя A и n, как в формулировке теоремы, пусть K - группа автоморфизмов E = H n ( A ), оставляющих инвариантным скалярное произведение. Это замкнутая подгруппа в O ( E ), а значит, компактная группа Ли. Его алгебра Ли состоит из кососопряженных дифференцирований. Фройденталь (1951) показал, что для данного X в E существует автоморфизм k в K такой, что k ( X )- диагональная матрица. (По самосопряженности диагональные элементы будут реальными.) Диагонализация Фрейденталь теорема непосредственно вытекает условие Жордана, так как продукты Иордана реальных диагональных матриц коммутировать на М п ( А ) для любой не-ассоциативной алгебры A .

Для доказательства теоремы диагонализационном взять X в E . По компактности k можно выбрать в K, минимизируя суммы квадратов норм недиагональных членов k ( X ) . Поскольку K сохраняет суммы всех квадратов, это эквивалентно максимизации сумм квадратов норм диагональных членов k ( X ) . Замена X с помощью K X , можно предположить , что максимум достигается при X . Поскольку симметрическая группа S n, действующий путем перестановки координат, лежит в K , если X не диагонально, можно предположить, что x 12 и сопряженный с ним x 21 ненулевые. Пусть Т быть косого присоединенная матрица с (2, 1) ввода а , (1, 2) запись - * и 0 в других местах , и пусть D будет вывод объявления Т из Е . Пусть к т = ехр  Td в K . Тогда только первые два диагональных элемента в X ( t ) =к т Х отличаются от X . Диагональные записи настоящие. Производная x 11 ( t ) при t = 0 являетсякоординатой (1, 1) [ T ,  X ] , то есть a *  x 21 + x 12 a = 2 ( x 21 ,  a ) . Эта производная не равна нулю, если a = x 21 . С другой стороны, группа k tсохраняет след с действительным знаком. Поскольку он может изменять только x 11 и x 22 , он сохраняет их сумму. Однако на прямой x + y = constant, x 2 + y 2 не имеет локального максимума (только глобальный минимум); противоречие. Следовательно, X должен быть диагональным.

См. Также [ править ]

  • Мультипликативная квадратичная форма
  • Число Радона – Гурвица

Примечания [ править ]

  1. ^ См .:
    • Лам 2005
    • Раджваде 1993
    • Шапиро 2000
  2. ^ См .:
    • Экманн 1989
    • Экманн 1999
  3. Джордан, фон Нейман и Вигнер 1934
  4. ^ Faraut & Korányi 1994 , стр. 82
  5. ^ Faraut & Korányi 1994 , стр. 81-86
  6. ^ См .:
    • Гурвиц 1923 , стр. 11
    • Херштейн, 1968 , стр. 141–144.
  7. ^ См .:
    • Фараут и Кораньи, 1994 , стр. 88–91.
    • Постников 1986

Ссылки [ править ]

  • Альберт, AA (1934), "Об одной алгебре квантовой механики", Ann. математики. , 35 (1): 65-73, DOI : 10,2307 / 1968118 , JSTOR  1968118
  • Chevalley, C. (1954), Алгебраическая теория спиноров и алгебр Клиффорда , Columbia University Press
  • Экманн, Бено (1943), "Gruppentheoretischer Beweis des Satzes von Hurwitz – Radon über die Komposition quadratischer Formen" , Комментарий. Математика. Helv. , 15 : 358-366, DOI : 10.1007 / bf02565652 , S2CID  123322808
  • Экманн, Бено (1989), "Матрицы Гурвица – Радона и периодичность по модулю 8" , Enseign. Математика. , 35 : 77–91, архивировано из оригинала 16.06.2013.
  • Экманн, Бено (1999), «Топология, алгебра, анализ - отношения и недостающие звенья» , Notices Amer. Математика. Soc. , 46 : 520–527
  • Faraut, J .; Кораньи, А. (1994), Анализ на симметричных конусах , Oxford Mathematical Monographs, Oxford University Press, ISBN 978-0198534778
  • Фройденталь, Ганс (1951), Oktaven, Ausnahmegruppen und Oktavengeometrie , Mathematisch Instituut der Rijksuniversiteit te Utrecht
  • Freudenthal, Hans (1985), "Oktaven, Ausnahmegruppen und Oktavengeometrie", Geom. Dedicata , 19 : 7-63, DOI : 10.1007 / bf00233101 , S2CID  121496094 (перепечатка статьи 1951 г.)
  • Херштейн, И. Н. (1968), Некоммутативные кольца , Математические монографии Каруса, 15 , Математическая ассоциация Америки, ISBN 978-0883850152
  • Гурвиц, А. (1898), "Über die Composition der quadratischen Formen von Believebig vielen Variabeln" , Goett. Nachr. : 309–316
  • Hurwitz, A. (1923), "Uber die Komposition der quadratischen Formen" , Math. Анна. , 88 (1-2): 1-25, DOI : 10.1007 / bf01448439 , S2CID  122147399
  • Джейкобсон, Н. (1968), Структура и представления йордановых алгебр , Публикации коллоквиума Американского математического общества, 39 , Американское математическое общество
  • Jordan, P .; von Neumann, J .; Вигнер, Э. (1934), "Об одном алгебраическом обобщении квантово-механического формализма", Ann. математики. , 35 (1): 29-64, DOI : 10,2307 / 1968117 , JSTOR  1968117
  • Лам, Цит-Юэн (2005), Введение в квадратичные формы над полями , Аспирантура по математике , 67 , Американское математическое общество, ISBN 978-0-8218-1095-8, Руководство по ремонту  2104929 , Zbl  1068.11023
  • Ли, Х.К. (1948), "Sur le théorème de Hurwitz-Radon для композиции квадратичных форм" , Комментарий. Математика. Helv. , 21 : 261–269, doi : 10.1007 / bf02568038 , S2CID  121079375 , заархивировано из оригинала 03.05.2014.
  • Портеус, И. Р. (1969), Топологическая геометрия , Ван Ностранд Рейнхольд, ISBN 978-0-442-06606-2, Zbl  0186,06304
  • Постников М. (1986), Группы Ли и алгебры Ли. Лекции по геометрии. Семестр V , Мир
  • Радон, Дж. (1922), "Lineare scharen orthogonaler matrizen" , Abhandlungen aus dem Mathematischen Seminar der Universität Hamburg , 1 : 1–14, doi : 10.1007 / bf02940576 , S2CID  120583389
  • Rajwade, AR (1993), Squares , Серия лекций Лондонского математического общества, 171 , Cambridge University Press , ISBN 978-0-521-42668-8, Zbl  0785,11022
  • Шафер, Ричард Д. (1995) [1966], Введение в неассоциативные алгебры , Dover Publications , ISBN 978-0-486-68813-8, Zbl  0145.25601
  • Шапиро, Дэниел Б. (2000), Композиции квадратичных форм , De Gruyter Expositions in Mathematics, 33 , Walter de Gruyter, ISBN 978-3-11-012629-7, Zbl  0954,11011

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Баэз, Джон К. (2002), «Октонионы» , Bull. Амер. Математика. Soc. , 39 (2): 145–205, arXiv : math / 0105155 , doi : 10.1090 / S0273-0979-01-00934-X , S2CID  586512
  • Конвей, Джон Х .; Смит, Дерек А. (2003), О кватернионах и октонионах: их геометрия, арифметика и симметрия , AK Peters, ISBN 978-1568811345
  • Кантор, Иллинойс; Солодовников, А.С. (1989), "Нормированные алгебры с единицей. Теорема Гурвица". , Гиперкомплексные числа. Элементарное введение в алгебры , Trans. А. Шеницер (2-е изд.), Springer-Verlag , p. 121 , ISBN 978-0-387-96980-0, Zbl  0669,17001
  • Макс Кехера & Reinhold Remmert (1990) "Теорема Композиционные алгебры Гурвица. - Алгебры Вектор-Продукт", глава 10 из чисел от Heinz-Dieter Эббингауза . И др, Springer, ISBN 0-387-97202-1 
  • Springer, TA ; Ф. Д. Вельдкамп (2000), октонионы, йордановы алгебры и исключительные группы , Springer-Verlag , ISBN 978-3-540-66337-9