十六元數

在抽象代數中，**十六元數**（英語：Sedenion）是在實數上形成的 16 維非交換且非結合代數結構。彷如八元數，其乘法不符合交換律及結合律。十六元數可以透過將八元數套用凱萊 - 迪克森結構來構造。然而，與八元數不一樣，十六元數甚至不符合交錯性。儘管如此，十六元數仍然符合冪結合性。此外，十六元數中存在零因子（zero divisor），例如 ${{\left({{\,e_{3}}+{\,e_{10}}}\right)}\times {\left({{\,e_{6}}-{\,e_{15}}}\right)}}=0$ ，這點與八元數截然不同 —— 因此，十六元數無法構成整環（integral domain），也無法構成除環（divisor ring）。

十六元數是由八元數套用凱萊 - 迪克森構造而成的。十六元數亦可以繼續進行凱萊 - 迪克森構造。若將十六元數套用凱萊 - 迪克森構造將會形成三十二元數（trigintaduonion）。每一次的構造都會導致維數翻倍，並且構造結果同樣與十六元數類似，有著不符合交錯性、符合冪結合性與存在零因子等特性。

**十六元數**這個術語同時亦用於其他同為 16 維度的代數結構，例如兩個複四元數的張量積、實數上的 4×4 矩陣代數或喬納森・D・H・史密斯於 1995 提出的一種代數結構。

## 算術

十六元數的乘法和八元數一樣，不具備交換律及結合律。與八元數不同的是，十六元數不具備交錯代數的特性。雖然如此，但十六元數仍然保有冪結合性，也就是說，對所有的十六元數集 $\mathbb {S} $ 中的元素 x，冪 $x^{n}$ 是可以明確定義的。同時，十六元數亦有柔性代數的特性。

**十六元數**共有的 16 個單位。這 16 個單位**十六元數**是：

　
: $e_{0}$ 、 $e_{1}$ 、 $e_{2}$ 、 $e_{3}$ 、 $e_{4}$ 、 $e_{5}$ 、 $e_{6}$ 、 $e_{7}$ 、 $e_{8}$ 、 $e_{9}$ 、 $e_{10}$ 、 $e_{11}$ 、 $e_{12}$ 、 $e_{13}$ 、 $e_{14}$ 及 $e_{15}$

每個十六元數都是單位十六元數 $e_{0}$ , $e_{1}$ , $e_{2}$ , $e_{3}$ , ..., $e_{15}$ 的線性組合，並構成了十六元數向量空間的基。 每個十六元數都可以用以下形式表示：

　
: $x=x_{0}e_{0}+x_{1}e_{1}+x_{2}e_{2}+\cdots +x_{14}e_{14}+x_{15}e_{15}.$

十六元數的加法和減法是通過將相應十六元數單位之係數的加法或減法來定義的。而十六元數的乘法是對加法的分配，所以兩個十六元數的乘積可以通過對所有項的乘積求和來計算。

十六元數和其他也由凱萊 - 迪克森結構來構造的代數結構一樣，其皆包含了依凱萊 - 迪克森結構構造來源的代數結構。例如十六元數可透過八元數代凱萊 - 迪克森結構來構造、八元數可透過四元數代凱萊 - 迪克森結構來構造、四元數可透過複數代凱萊 - 迪克森結構來構造、複數可透過實數代凱萊 - 迪克森結構來構造。因此，十六元數系包含了一個八元數系（由下方乘法表對應的 $e_{0}$ 至 $e_{7}$ 構造），亦包含了四元數系（由 $e_{0}$ 至 $e_{3}$ 構造），也包含了複數系（由 $e_{0}$ 至 $e_{1}$ 構造）和實數系（由 $e_{0}$ 構造）。

十六元數具有乘法單位元素 $e_{0}$ 和乘法逆元，但因為存在零因子因此無法構成可除代數。換句話說，即十六元數的代數系統中，存在 2 個非零十六元數相乘為零，例如 $(e_{3}+e_{10})(e_{6}-e_{15})=0$ 。其他基於凱萊 - 迪克森結構構造的超複數系統中，維度大於 16 的超複數也都存在零因子。

十六元數單元乘數表如下：

### 十六元數特性

從上表可得到：

　
: 對所有的 $i$ ，有 $e_{0}e_{i}=e_{i}e_{0}=e_{i}$ ，

　
: $e_{i}e_{i}=-e_{0}\,\,{\text{for}}\,\,i\neq 0$ ，且

　
: $e_{i}e_{j}=-e_{j}e_{i}\,\,{\text{for}}\,\,i\neq j\,\,{\text{with}}\,\,i,j\neq 0$ 。

#### 反結合

十六元數並非完全反結合。選擇任意四個生成元 $i,j,k$ 和 $l$ ，對於乘積 $ijkl$ ，有五種添加括號的方法。假如反結合律總是成立，則五者之間應有以下關係：

　
: $(ij)(kl)=-((ij)k)l=(i(jk))l=-i((jk)l)=i(j(kl))=-(ij)(kl),$

從而 $(ij)(kl)=0$ ，矛盾。所以，某兩者之間不滿足反結合律。

特別地，代入 $e_{1},e_{2},e_{4}$ 和 $e_{8}$ 時，利用上列乘法表，可得最後兩式滿足結合律： $e_{1}(e_{2}e_{12})=(e_{1}e_{2})e_{12}=-e_{15}$ 。

### 四元子代數

在下表列出了構成這個特定十六元數乘法表的 35 個三元組。用於使用凱萊 - 迪克森結構構造之十六元數的 7 個八元數三元組，以粗體表示：

每個三元組中，三個數的二進制表示，按位異或的結果為 0。

{ **{1, 2, 3}**, **{1, 4, 5}**, **{1, 7, 6}**, {1, 8, 9}, {1, 11, 10}, {1, 13, 12}, {1, 14, 15}, 
**{2, 4, 6}**, **{2, 5, 7}**, {2, 8, 10}, {2, 9, 11}, {2, 14, 12}, {2, 15, 13}, **{3, 4, 7}**, 
**{3, 6, 5}**, {3, 8, 11}, {3, 10, 9}, {3, 13, 14}, {3, 15, 12}, {4, 8, 12}, {4, 9, 13}, 

{4, 10, 14}, {4, 11, 15}, {5, 8, 13}, {5, 10, 15}, {5, 12, 9}, {5, 14, 11}, {6, 8, 14}, 

{6, 11, 13}, {6, 12, 10}, {6, 15, 9}, {7, 8, 15}, {7, 9, 14}, {7, 12, 11}, {7, 13, 10} }

84 組由十六元數單位組成的零因子數組 $\{e_{a},e_{b},e_{c},e_{d}\}$ 列舉如下，其中 $(e_{a}+e_{b})\circ (e_{c}+e_{d})=0$ ：

　
: ${\begin{array}{c}{\begin{array}{ccc}1\leq a\leq 6,&c>a,&9\leq b\leq 15\\9\leq d\leq 15&&-9\geq d\geq -15\end{array}}\\{\begin{array}{ll}\{e_{1},e_{10},e_{5},e_{14}\}&\{e_{1},e_{10},e_{4},-e_{15}\}\\\{e_{1},e_{10},e_{7},e_{12}\}&\{e_{1},e_{10},e_{6},-e_{13}\}\\\{e_{1},e_{11},e_{4},e_{14}\}&\{e_{1},e_{11},e_{6},-e_{12}\}\\\{e_{1},e_{11},e_{5},e_{15}\}&\{e_{1},e_{11},e_{7},-e_{13}\}\\\{e_{1},e_{12},e_{2},e_{15}\}&\{e_{1},e_{12},e_{3},-e_{14}\}\\\{e_{1},e_{12},e_{6},e_{11}\}&\{e_{1},e_{12},e_{7},-e_{10}\}\\\{e_{1},e_{13},e_{6},e_{10}\}&\{e_{1},e_{13},e_{7},-e_{14}\}\\\{e_{1},e_{13},e_{7},e_{11}\}&\{e_{1},e_{13},e_{3},-e_{15}\}\\\{e_{1},e_{14},e_{2},e_{13}\}&\{e_{1},e_{14},e_{4},-e_{11}\}\\\{e_{1},e_{14},e_{3},e_{12}\}&\{e_{1},e_{14},e_{5},-e_{10}\}\\\{e_{1},e_{15},e_{3},e_{13}\}&\{e_{1},e_{15},e_{2},-e_{12}\}\\\{e_{1},e_{15},e_{4},e_{10}\}&\{e_{1},e_{15},e_{5},-e_{11}\}\\\{e_{2},e_{9},e_{4},e_{15}\}&\{e_{2},e_{9},e_{5},-e_{14}\}\\\{e_{2},e_{9},e_{6},e_{13}\}&\{e_{2},e_{9},e_{7},-e_{12}\}\\\{e_{2},e_{11},e_{5},e_{12}\}&\{e_{2},e_{11},e_{4},-e_{13}\}\\\{e_{2},e_{11},e_{6},e_{15}\}&\{e_{2},e_{11},e_{7},-e_{14}\}\\\{e_{2},e_{12},e_{3},e_{13}\}&\{e_{2},e_{12},e_{5},-e_{11}\}\\\{e_{2},e_{12},e_{7},e_{9}\}&\{e_{2},e_{13},e_{3},-e_{12}\}\\\{e_{2},e_{13},e_{4},e_{11}\}&\{e_{2},e_{13},e_{6},-e_{9}\}\\\{e_{2},e_{14},e_{5},e_{9}\}&\{e_{2},e_{14},e_{3},-e_{15}\}\\\{e_{2},e_{14},e_{3},e_{14}\}&\{e_{2},e_{15},e_{4},-e_{9}\}\\\{e_{2},e_{15},e_{3},e_{14}\}&\{e_{2},e_{15},e_{6},-e_{11}\}\\\{e_{3},e_{9},e_{6},e_{12}\}&\{e_{3},e_{9},e_{4},-e_{14}\}\\\{e_{3},e_{9},e_{7},e_{13}\}&\{e_{3},e_{9},e_{5},-e_{15}\}\\\{e_{3},e_{10},e_{4},e_{13}\}&\{e_{3},e_{10},e_{5},-e_{12}\}\\\{e_{3},e_{10},e_{7},e_{14}\}&\{e_{3},e_{10},e_{6},-e_{15}\}\\\{e_{3},e_{12},e_{5},e_{10}\}&\{e_{3},e_{12},e_{6},-e_{9}\}\\\{e_{3},e_{14},e_{4},e_{9}\}&\{e_{3},e_{13},e_{4},-e_{10}\}\\\{e_{3},e_{15},e_{5},e_{9}\}&\{e_{3},e_{13},e_{7},-e_{9}\}\\\{e_{3},e_{15},e_{6},e_{10}\}&\{e_{3},e_{14},e_{7},-e_{10}\}\\\{e_{4},e_{9},e_{7},e_{10}\}&\{e_{4},e_{9},e_{6},-e_{11}\}\\\{e_{4},e_{10},e_{5},e_{11}\}&\{e_{4},e_{10},e_{7},-e_{9}\}\\\{e_{4},e_{11},e_{6},e_{9}\}&\{e_{4},e_{11},e_{5},-e_{10}\}\\\{e_{4},e_{13},e_{6},e_{15}\}&\{e_{4},e_{13},e_{7},-e_{14}\}\\\{e_{4},e_{14},e_{7},e_{13}\}&\{e_{4},e_{14},e_{5},-e_{15}\}\\\{e_{4},e_{15},e_{5},e_{14}\}&\{e_{4},e_{15},e_{6},-e_{13}\}\\\{e_{5},e_{10},e_{6},e_{9}\}&\{e_{5},e_{9},e_{6},-e_{10}\}\\\{e_{5},e_{11},e_{7},e_{9}\}&\{e_{5},e_{9},e_{7},-e_{11}\}\\\{e_{5},e_{12},e_{7},e_{14}\}&\{e_{5},e_{12},e_{6},-e_{15}\}\\\{e_{5},e_{15},e_{6},e_{12}\}&\{e_{5},e_{14},e_{7},-e_{12}\}\\\{e_{6},e_{11},e_{7},e_{10}\}&\{e_{6},e_{10},e_{7},-e_{11}\}\\\{e_{6},e_{13},e_{7},e_{12}\}&\{e_{6},e_{10},e_{7},-e_{13}\}\end{array}}\end{array}}$

## 應用

莫雷諾・吉列爾莫於 1998 年表明，一對範數一的十六元數空間（每個元素皆為範數為 1 的十六元數二元組的空間）中的元素相乘為零這樣的代數空間與緊湊形式的例外李群 G2 同胚。（留意在莫雷諾論文中，零因子指的是一對相乘為零的元素。）

十六元數神經網絡在機器學習應用中提供了一種高效且緊湊的表達方式，並被用於解決多個時間序列預測問題。

## 參見

* 超複數
* 雷奧那德・尤金・迪克遜

## 參考文獻