四元数
数学における四元数(しげんすう、quaternion)とは、複素数を拡張した数体系であり、虚数単位 i, j, k を用いて
と表せる数のことである。ここで、a, b, c, d は実数であり、虚数単位 i, j, k は以下の関係を満たす。
i^2=j^2=k^2=ijk=-1
このとき 1, i, j, k は実数体上線型独立である。
四元数は純粋数学のみならず応用数学、特に3Dグラフィクスやコンピュータビジョンにおいて四元数と空間における回転でも用いられる。これはオイラー角や回転行列あるいはそれらに代わる道具などとともに、必要に応じて利用される。
四元数についての最初の記述は、1843年にアイルランドの数学者ウィリアム・ローワン・ハミルトンによってなされ、3次元空間の力学に応用された。
四元数の特徴は、積について非可換であることである。ハミルトンは、四元数を三次元空間内の二つの有向直線の商として定義した。これは二つのベクトルの商と言っても同じである。四元数をスカラーと三次元のベクトルとの和として表すこともできる。
なお、虚数単位i,j,kについても非可換であることが知られている。
現代数学の観点からは、四元数全体からなる集合は、実数体上の4次元結合的ノルム多元体であり、またそれゆえに非可換整域となる。歴史的には四元数の体系は、最初に発見された非可換多元体である。四元数全体の成すこの代数は、ハミルトンに因んで H(あるいは黒板太文字で ℍ)と書かれる。またこの代数を、クリフォード代数 Cℓ0,2⁡(R) ≅ Cℓ03,0⁡(R) として定義することもできる。
この代数 H は解析学において特別な位置を占めている。というのも、フロベニウスの定理に従えば H は実数全体 ℝ を真の部分環として含む有限次元可除環の2種類しかないうちの一つ(もう一つは複素数全体 ℂ)だからである。
従って、単位四元数は三次元球面 S3 上の群構造を選んだものとして考えることができて、群 Spin⁡(3) を与える。これは 2次特殊ユニタリ群 SU⁡(2) に同型、あるいはまた 三次回転群の普遍被覆に同型である。
四元数の成す代数系は、1843年にウィリアム・ローワン・ハミルトンによって導入された。これにはオイラーの四平方恒等式(1748年)やオリンデ・ロドリゲスのオイラー・ロドリゲスパラメータ(1840年)などを含む重要な先駆的研究があったが、何れもその四径数回転を代数として扱ったものではなかった。ガウスもまた1819年に四元数を発見していたのだが、そのことが公表されるのは1900年になってからのことである。
ハミルトンは複素数が座標平面における点として解釈できることを知っていて、三次元空間の点に対して同じことができる方法を探していた。空間の点はそれらの座標としての数の三つ組によって表すことができ、ハミルトンはそれらの三つ組に対して加法や減法をどのようにすべきかはずっと前から分かっていたのだが、乗法と除法をどう定めるかという問題については長く行き詰ったままであった。ハミルトンは、空間における二点の座標の商をどのように計算すべきかを形にすることができなかったのである。
四元数についての大きな転換点がついに訪れたのは、1843年10月16日の月曜日、ダブリンにおいてハミルトンが理事会の長を務めることになるアイルランド王立アカデミーへの道すがら、妻とともにロイヤル運河の引き船道に沿って歩いているときであった。四元数の背景となる概念が頭の中で形になり、答えが明らかになったとき、ハミルトンは衝動を抑えられずに、四元数の基本公式
i^2 = j^2 = k^2 = ijk = -1
を、渡っていたブルーム橋の石に刻みつけた。
次の日ハミルトンは、友人でフェロー数学者であったジョン・グレイヴスへ宛てて、彼の発見へと至る一連の道筋をしたためた書簡を記している。この書簡は後に London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. xxv (1844), pp.489-95.で公表されている。この中でハミルトンは、
と述べている。ハミルトンは、これらの乗法規則を備えた四つ組を quaternion と呼び、残りの人生の大半をその研究と教育にささげた。古典的なハミルトンの四元数は、四元数の代数的性質を強調する現代的なアプローチよりも幾何学的なものである。ハミルトンは "quaternionists" の学校を設立し、数々の本で四元数の普及を図った。最後にして最長の本が Elements of Quaternions(『四元数原論』)で800にも及ぶ(出版されたのは彼の死後少ししてからである)。
ハミルトンの死後も弟子のテイトが四元数の振興を続けた。同時に、ダブリンでは四元数が試験の必須題目になっていた。物理学と幾何学の主題においては、今日ではベクトルを用いて記述するような空間の運動エネルギーやマクスウェルの方程式などが、まったく四元数の言葉で記述されていた。四元数やほかの超複素数系を専ら研究するプロの研究機関である四元数学会さえ存在した。
1880年代の半ばごろから、ギブス、ヘヴィサイド、ヘルムホルツらの創始したベクトル解析によって四元数は取って代わられるようになる。ベクトル解析は四元数と同じ現象を記述するために、四元数に関する文献から自由に用語法や考え方を拝借していたが、ベクトル解析の方が概念的に簡単で、記法もすっきりしていたので、遂には数学と物理学における四元数の役割は小さく追いやられることとなった。このような変遷の副作用で、現代的な読者にはハミルトンの仕事は難しく複雑なものと化してしまった。ハミルトンのオリジナルの定義は馴染みがなく、その書き振りは冗長で不明瞭である。
四元数は20世紀の後半になって、三次元の自由な回転を記述する能力を買われて、多用されることとなった。四元数による3次元の回転(姿勢)の表現は、3次正方行列による表現と比べて記憶容量が小さくて演算のスピードも速い。加えて、オイラー角と違ってジンバルロックが起きない。この特徴は、地上における上下方向のような絶対的な軸の無い、宇宙機のような三次元の自由度が完全にある場合の姿勢制御などでの利用に適しており、宇宙機以外にもCG、コンピュータビジョン、ロボット工学、制御理論、信号処理、物理学、生物情報学、分子動力学法、計算機シミュレーションおよび軌道力学など、他にも多くの応用がある。
また、四元数は二次形式との関係性により、数論からの後押しも受けている。
1989年以降、アイルランド国立大学メイヌース校の数学教室は、科学者(2002年には物理学者のマレー・ゲルマン、2005年にスティーヴン・ワインバーグなど)や数学者(2003年のアンドリュー・ワイルズなど)からなる、ダンシンク天文台からロイヤル運河の橋までを歩く巡礼の旅を開催している。ハミルトンが橋に刻みつけた公式はもはや見ることはできないが。
P.R.ジラールのエッセイ The quaternion group and modern physics(「四元数群と現代物理学」)は、四元数の物理学における役割について論じている。それは現代代数学において "数々の物理的な共変性の群:SO⁡(3)、ローレンツ群、一般相対性群、クリフォード代数 SU⁡(2) および共形群などが容易く四元数群に関連付けられることを示している"。ジラールは群の表現論を議論し、結晶学に関するいくつかの空間群を表現することから始めて、続いて剛体運動の運動学、その後トーマス歳差を含む特殊相対論のローレンツ群の表現に「複四元数」(complex quaternion)(双四元数)を用いている。ジラールはマクスウェルの方程式を四元数変数のポテンシャル函数を用いて一本の微分方程式に表したルドヴィク・シルバースタインをはじめとする5人の著者を引いている。一般相対性を考慮してルンゲ=レンツベクトルを表し、またクリフォード代数の例としてクリフォード複四元数(分解型双四元数)に言及した。最後にジラールは、複四元数の逆数を使って時空の共形写像について述べている。50にも及ぶ参考文献には、アレクサンダー・マクファーレンおよび四元数学会におけるジラール自身の広報も含まれている。また、1999年にジラールはアインシュタインの一般相対性の方程式が如何にして四元数に直結するクリフォード代数を用いて定式化されるかを示している。
四元数についてのより個人的な見解をジョアキム・ランベックが1995年に書いている。エッセイ If Hamilton had prevailed: quaternions in physics(「もしハミルトンが勝利していたら:物理学における四元数」)には "My own interest as a graduate student was raised by the inspiring book by Silberstein"(院生としての私の興味はシルバースタインの本に刺激を受けて生じた)とある。ランベックは He concluded by stating "I firmly believe that quaternions can supply a shortcut for pure mathematicians who wish to familiarize themselves with certain aspects of theoretical physics."(「私は四元数が、理論物理学のある種の側面に習熟しようと望む純粋数学者へ、近道を与えるものと堅く信じる」)と述べることによって結論を下している。
2007年、アレキサンダー・エフレモフとその共同研究者は、四元数空間幾何がヤン・ミルズ場と近しい関係にあることを示し、ダフィン・ケマー・ペティアウ方程式とクライン-ゴルドン方程式への関連性を指摘した。
集合としては、四元数全体 H は実数体上の4次元数ベクトル空間 ℝ4 に等しい。H には3の演算(加法、スカラー乗法、四元数の乗法)が入る。H の二元の和は、R4 の元としての和で定義され、同様に H の元の実数倍も R4 におけるスカラー倍として定義される。H の二元の積を定めるには、まず R4 の基底を決めなければならないが、その元を通例 1, i, j, k と記す。H の各元はこれら基底元の線型結合で表される。つまり
a1 + bi + cj + dk(a, b, c, d は実数)
の形に一意に表される。基底元 1 は H の乗法単位元であるため、通常省略して
と表すのが普通である。この基底が与えられたところで、四元数の結合的乗法は、初めに基底元同士の積を定義して、一般の積はそれを分配律を用いて拡張することで定義される。
H の基底元 i, j, k に対して等式
i^2=j^2=k^2=ijk=-1
は i, j, k の間の可能なすべての積を決定する。例えば -1=ijk の両辺に k を右から掛ければ
\begin{align}
-k &=ijkk=ij(k^2) =ij(-1), \\
k &=ij.
\end{align}
を得る。他の積も同じようにして得られて、結局
\begin{alignat}{2}
ij &=k, &\qquad ji &=-k, \\
jk &=i, &kj &=-i, \\
ki &=j, &ik &=-j,
\end{alignat}
が可能なすべての積を列挙したものとなる。これは左側の因子を列に、右側の因子を行にそれぞれ充てて、表の形にまとめることができる(乗積表)。
二つの四元数 a1 + b1i + c1j + d1k と a2 + b2i + c2j + d2k に対し、それらのハミルトン積 (a1 + b1i + c1j + d1k)(a2 + b2i + c2j + d2k) は、基底間の積と分配律によって与えられる。具体的には、この積は分配律により基底元の積和の形に展開することができて、
\begin{align}
&a_1a_2 + a_1b_2\,i + a_1c_2\,j + a_1d_2\,k \\
&\quad + b_1a_2\,i + b_1b_2\,i^2 + b_1c_2\,ij + b_1d_2\,ik \\
&\quad + c_1a_2\,j + c_1b_2\,ji + c_1c_2\,j^2 + c_1d_2\,jk \\
&\quad + d_1a_2\,k + d_1b_2\,ki + d_1c_2\,kj + d_1d_2\,k^2
\end{align}
となるので、ここで先の基底元の間の乗法規則を適用して
\begin{align}
&a_1a_2 - b_1b_2 - c_1c_2 - d_1d_2 \\
&\quad + (a_1b_2 + b_1a_2 + c_1d_2 - d_1c_2)\,i \\
&\quad + (a_1c_2 - b_1d_2 + c_1a_2 + d_1b_2)\,j \\
&\quad + (a_1d_2 + b_1c_2 - c_1b_2 + d_1a_2)\,k
\end{align}
を得る。
H の基底 1, i, j, k を用いて H を四つ組の集合
\mathbb{H} = \{(a, b, c, d) \mid a, b, c, d \in \mathbb{R}\}
として表すことができる。このとき基底元は
\begin{align}
1 &=(1,0,0,0), \\
i &=(0,1,0,0), \\
j &=(0,0,1,0), \\
k &=(0,0,0,1)
\end{align}
であり、加法、乗法の定義式は
\begin{align}
&(a_1,\, b_1,\, c_1,\, d_1) + (a_2,\, b_2,\, c_2,\, d_2) \\
&\quad = (a_1 + a_2,\, b_1 + b_2,\, c_1 + c_2,\, d_1 + d_2)
\end{align}
\begin{align}
(a_1,\, b_1&,\, c_1,\, d_1)(a_2,\, b_2,\, c_2,\, d_2)\\
=( &a_1a_2 - b_1b_2 - c_1c_2 - d_1d_2, \\
&a_1b_2 + b_1a_2 + c_1d_2 - d_1c_2, \\
&a_1c_2 - b_1d_2 + c_1a_2 + d_1b_2, \\
&a_1d_2 + b_1c_2 - c_1b_2 + d_1a_2)
\end{align}
で与えられる。
四元数 a + bi + cj + dk について、特に b = c = d = 0 であるものは実数体上のスカラーである。bi + cj + dk で、b, c, d の内少なくとも一つが、0 でないもの (bcd ≠ 0) を純虚 (pure imaginary) という。
四元数 a + bi + cj + dk に対して、a をその実部 (real part) またはスカラー部 (scalar part) といい、bi + cj + dk をその虚部 (imagenary part) または ベクトル部 (vector part) という。四元数のスカラー部は実数であり、ベクトル部は 0 または純虚である。任意の四元数は4次元ベクトル空間のベクトルではあるけれども、ここではベクトルあるいはベクトル元という言葉を、専ら純虚四元数を指すのに用いる。この規約の下、ベクトル元ということはベクトル空間 R3 の元ということと同じ意味になる。
ハミルトンは純虚四元数を right quaternion(「正しい四元数」)と呼び、実(四元)数を scalar quaternion(「スカラー四元数」)と呼んだ。
q = (r,\vec{v} )\quad (q\in \mathbb{H} ,\,r\in \mathbb{R} ,\,\vec{v} \in \mathbb{R}^3)
と表すと、加法、乗法の定義式は
(r_1 ,\vec{v}_1) + (r_2 ,\vec{v}_2) = (r_1 + r_2 ,\; \vec{v}_1 +\vec{v}_2)
(r_1 ,\vec{v}_1) (r_2 ,\vec{v}_2) = (r_1 r_2 - \vec{v}_1 \cdot \vec{v}_2 ,\; r_1 \vec{v}_2 +r_2 \vec{v}_1 + \vec{v}_1 \times \vec{v}_2)
となる。ここで "⋅" はベクトルのドット積、"×" はベクトルのクロス積である。特に、実部が 0 の四元数に対しては
(0,\vec{v}_1 ) (0,\vec{v}_2 ) = ( -\vec{v}_1\cdot\vec{v}_2 ,\;\vec{v}_1\times \vec{v}_2 )
が成り立つ。
四元数の共軛(きょうやく)は複素共役およびクリフォード代数の元の転置 (transposition) あるいは逆転 (reversal) の類似物である。四元数 q = a + bi + cj + dk に対して、q の共軛は
で定義される。これを q∗, q, qt, q などで表す。共軛をとる操作は対合、つまり自身を自身の逆とする変換であり、一つの元の共軛を二度とればもとの元に戻る。2つの四元数の積の共軛は、それぞれの四元数の共軛を「順番を逆にして」掛けたものになる。つまり p, q を四元数とすれば
であって p∗q∗ でない。
複素数における共軛とは異なり、四元数の共軛は乗法と加法を用いて完全に書き表すことができる:
q^* = - \frac{1}{2} (q+iqi+jqj+kqk)
共軛を用いると、四元数 p の実部、虚部はそれぞれ
となる。
四元数 q のノルム q は、自身とその共軛の積の平方根として定義される:
\lVert q \rVert = \sqrt{qq^*} = \sqrt{q^*q} = \sqrt{a^2 + b^2 + c^2 + d^2}
(ハミルトンはこれを四元数のテンソルと呼んだが、この用語は現代的な意味でのテンソルと衝突する)
これは、H を数ベクトル空間 R4 と見なした時のユークリッドノルムに等しく、ノルムの公理を満たす。すなわち、常に非負の実数で、任意の2つの四元数 p, q に対して
\lVert pq \rVert = \lVert p \rVert\lVert q \rVert
が成り立つ。特に、実数 α に対して
\lVert\alpha q\rVert = |\alpha|\lVert q\rVert
が成り立つ。
この乗法性は、積の共軛に関する式からの帰結である。あるいは、正方行列の行列式の乗法性と公式
a^2 + b^2 + c^2 + d^2 = \det \begin{pmatrix}
a+ib &id+c \\
id-c &a-ib
\end{pmatrix}
(i は通常の虚数単位)から乗法性を示すこともできる。
このノルムを使って、四元数 p と q の間の距離 d⁡(p, q) を、それらの差のノルム (d⁡(p, q) = p − q) として定義することができる。これにより H は距離空間となり、加法と乗法はこの距離位相に関して連続になる。
ノルムが 1 の四元数を単位四元数という。0 でない四元数 q に対して、そのノルムで割って得られる単位四元数
\operatorname{\mathbf{U} q = \frac{q}{\lVert q\rVert}
を、q のベルソルという。
任意の四元数 q は、その極分解
を持つ。
共軛とノルムにより、四元数の逆数(自身との積が 1 である数)が得られる:
q^{-1} = \frac{q^*}{\lVert q\rVert^2}
これにより、2つの四元数 p, q に対して、二種類の除法が定義される。即ち、それらの商は pq−1 または q−1p のどちらかである。複素数(一般には可換体)の範囲と異なり、p と書くと q で左から割っているのか右から割っているのかが特定されないため紛らわしい。
四元数全体のなす集合 H は実数体上の 4次元ベクトル空間を成す(実数全体は 1次元、複素数全体は 2次元、八元数全体は 8次元である)。四元数は加法と、結合的で分配的な乗法を持つが、その乗法は可換でない。従って四元数の全体 H は実数体上の非可換結合多元環である。H には複素数体 ℂ の複製が含まれるが、H は C 上の結合多元環にはならない。
四元数は除法が可能であるから、H は多元体(乗法が可換でないことを除けば可換体と同様の構造)である。実数体上の有限次元結合的多元体は非常に少なく、フロベニウスの定理はそれが R, C, H のちょうど3種類であることを述べるものである。また、四元数のノルムにより四元数の全体はノルム多元環となるが、実数体上のノルム多元体もまた非常に限られ、フルヴィッツの定理 (合成代数)はそれが R, C, H, O の四種類(O は八元数全体)であることを述べる。四元数全体はまた、合成代数や単位的バナッハ環の一例でもある。
基底元の積は別の基底元に符号を付けたものになるから、集合 ±1, ±i, ±j, ±k はその乗法に関して群を成す。この群は四元数群と呼ばれ、Q8 で表す。Q8 の実係数群環 RQ8 は環であり、また R 上の 8次元ベクトル空間でもあり、Q8 の各元を基底ベクトルに持つ。四元数体 H は RQ8 を 1 + (−1), i + (−i), j + (−j), k + (−k) で生成するイデアルで割った剰余環になっている。ここで、生成元となっている各差の第一項は基底元 1, i, j, k のそれぞれ一つであり、第二項は残りの基底元 −1, −i, −j, −k のそれぞれ一つであって、これらは 1, i, j, k の(群環の加法に関する)加法的逆元でないことに注意(剰余環、つまり H の中では加法逆元になる)。
四元数のベクトル部は R3 のベクトルゆえ、R3 の幾何は四元数の代数構造に反映される。ベクトルに対する多くの演算は四元数を用いて定義することができるし、それによって四元数的な手法を空間ベクトルから生じる様々なものに適用することができる。例えば、電磁気学や3DCGなどにこの方法論が使える。
本節では i, j, k を H の虚基底ベクトルと R3 の基底の両方の意味で用いる。i, j, k を一斉にそれぞれ −i, −j, −k に取り替えることはベクトルを加法的逆元(マイナス)へ写すので、ベクトルの加法的逆元をとることと四元数の共軛をとることとは同じ意味になることに注目しよう。これを以って、四元数の共軛を「空間反転」(spatial inverse) と呼ぶことがある。
2つの純虚四元数 p = b1i + c1j + d1k, q = b2i + c2j + d2k に対して、それらのドット積は
p \cdot q = b_1b_2 + c_1c_2 + d_1d_2
で与えられる。これは p∗q, qp∗, pq∗, q∗p のどのスカラー部にも等しい(これらのベクトル部は相異なることに注意)。それゆえドット積については
p \cdot q = \frac{1}{2}(p^*q + q^*p) = \frac{1}{2}(pq^* + qp^*)
という等式も成り立つ。また、p と q のクロス積は基底 (i, j, k) の元の順序(から定まる向き)に依存して
p \times q = (c_1d_2 - d_1c_2)i + (d_1b_2 - b_1d_2)j + (b_1c_2 - c_1b_2)k
と定義される(符号を決めるために向きが必要であることを想起せよ)。これは四元数としての積 pq のベクトル部に等しく、−q∗p∗ のベクトル部とも同じく等しい。ゆえに、これについても
p \times q = \frac{1}{2}(pq - q^*p^*)
なる等式が成り立つ。一般に p, q が四元数(純虚でなくてよい)のとき、これをスカラー部とベクトル部との和
p = p_s + \vec{p}_v,
q = q_s + \vec{q}_v
に分解すれば、等式
pq = p_sq_s - \vec{p}_v\cdot\vec{q}_v + p_s\vec{q}_v + \vec{p}_vq_s + \vec{p}_v \times \vec{q}_v
が成り立つ。これを見ると、四元数の乗法の非可換性が純虚四元数の乗法からくるものであることが分かり、また2つの四元数が可換となるための必要十分条件がそれらのベクトル部が共線となることなども分かる。
複素数の行列表現と全く同様に、四元数も行列で表現することができる。四元数を行列で表現し、四元数の加法と乗法を行列のそれに対応させる方法は、少なくとも二つあり、一つは 複素 2次正方行列を用いるもの、もう一つは実 4次正方行列を用いるものである。何れの場合も、表現は線型に関連する表現の族として与えられるもので、抽象代数学の観点からは、H からそれぞれ全行列環 M2⁡(C) および M4⁡(R) への単射環準同型である。
複素 2次正方行列を用いて、四元数 a + bi + cj + dk は
\begin{pmatrix}
a+bi &c+di \\
-c+di &a-bi
\end{pmatrix}
と表現される。この表現は以下の性質を持つ:
複素数 (c = d = 0) は対角行列に対応する。
四元数のノルム(複素数のノルム同様に、自身とその共軛との積の平方根)は対応する行列の行列式の平方根に一致する。
四元数の共軛は、対応する行列のエルミート共軛に対応する。
単位四元数に制限すれば、この表現は S3 と SU⁡(2) との間の同型を与える。後者の群は量子力学においてスピンを記述するのに重要である(パウリ行列を参照)。
実 4次正方行列を用いれば、同じ四元数は
\begin{pmatrix}
a &  b & c & d \\
-b &  a &-d & c \\
-c &  d & a &-b \\
-d &-c  & b & a
\end{pmatrix}
= a \begin{pmatrix}
1 &0 &0 &0 \\
0 &1 &0 &0 \\
0 &0 &1 &0 \\
0 &0 &0 &1
\end{pmatrix} + b \begin{pmatrix}
0 &1 &0 & 0 \\
-1 &0 &0 & 0 \\
0 &0 &0 &-1 \\
0 &0 &1 & 0
\end{pmatrix} + c
\begin{pmatrix}
0 & 0 &1 &0 \\
0 & 0 &0 &1 \\
-1 & 0 &0 &0 \\
0 &-1 &0 &0
\end{pmatrix} + d
\begin{pmatrix}
0 &0 & 0 &1 \\
0 &0 &-1 &0 \\
0 &1 & 0 &0 \\
-1 &0 & 0 &0
\end{pmatrix}
で表される。この表現では、四元数の共軛は対応する行列の転置に対応する。また、四元数のノルムの四乗は対応する行列の行列式に等しい。複素数は、行列を 2 × 2 のブロックに分けたときの区分対角行列に対応する。
四元数を、数論におけるラグランジュの四平方和定理(任意の非負整数が四つの整数の平方の和で表せること)の証明に用いることもできる。ラグランジュの四平方和定理は定理それ自体が美しいだけでなく、組合せデザインのような数論以外の数学の分野においても有意な応用を持つ。四元数に基づく証明では四元数全体ではなくその部分環でユークリッドの互除法が使えるフルヴィッツの四元数が用いられる。
四元数は複素数の対として表現することができる。この側面からは、四元数は複素数全体にケーリー=ディクソン構成を適用して得られたものということになる。これは、複素数の実数の対としての構成を一般化したものである。
C2 を複素数体上の二次元ベクトル空間とし、基底 (1, j) をとる。C2 に属するベクトルは