反四元数

在抽象代數中，**分裂四元數**（split-quaternions）或**反四元數**（coquaternions）是一種四維的結合代數的元素，由 James Cockle 在 1849 年引入，當時稱為反四元數。 類似於漢密爾頓 1843 年引入的四元數 ，它們組成了一個四維的實向量空間，且有乘法運算。 與四元數不同，分裂四元數包含非平凡的零因子、冪零元和冪等元。（例如， ${1 \over 2}(1+j)$ 是冪等的零因子，而 $i-j$ 是冪零元。) 作為一種數學結構，分裂四元數形成了域代數，且與 2 × 2 的實矩陣同構。

集合 $\left\{1,i,j,k\right\}$ 組成一個基。 這些元素的積由

　
: $ij=k=-ji$ ,

　
: $jk=-i=-kj$ ,

　
: $ki=j=-ik$ ,

　
: $i^{2}=-1$ ,

　
: $j^{2}=+1$ ,

　
: $k^{2}=+1$

給出。因此 $ijk=1$ 。 由以上定義可得，集合 $\left\{1,i,j,k,-1,-i,-j,-k\right\}$ 在分裂四元數乘法的定義下是一個群，與二面體群 $D_{4}$ 同構，稱為正方形的對稱群。

分裂四元數 $q=w+xi+yj+zk$ 的**共軛** $q^{*}=w-xi-yj-zk$ 。

由於其基向量的反交換性，分裂四元數與其共軛的積由其迷向二次型

　
: $N(q)=qq^{*}=w^{2}+x^{2}-y^{2}-z^{2}$

 
給出。

給定兩個反四元數 $p$ 和 $q$ ，有 $N(pq)=N(p)N(q)$ ，意味著 $N$ 是可合成的二次型。 其上的代數是一種合成代數， _$N$_ 是其**範數**。 任何滿足 $q\neq 0$ ， $N(q)=0$ 的反四元數 q 稱為零向量（Null vector 而非 Zero vector)，它的存在意味著反四元數形成 "分裂的合成代數"，因此反四元數也被稱為**分裂四元數**。

當範數非零時， _$q$_ 有倒數，即 $q^{*} \over N(q)$ . 集合

　
: $U=\left\{q:qq^{*}\neq 0\right\}$

是單位元的集合。 全體分裂四元數的集合 $\mathbb {P} $ 組成環 $(\mathbb {P} ,+,\cdot )$ ，其單位群為 $(U,\cdot )$ 。全體 $N(q)=1$ 的分裂四元數組成一個非緊緻的拓撲群 $SU(1,1)$ ，且與 $SL(2,\mathbb {R} )$ 同構（見下）。

歷史上講，分裂四元數早於凱萊的矩陣代數；分裂四元數 (及四元數和雙複數) 引發了對線性代數的深入研究。

## 矩陣表示

令 $q=w+xi+yj+zk$ ，考慮普通複數 $u=w+xi$ , $v=y+zi$ ，它們的共軛複數為 $u=w+xi$ , $v=y+zi$ 。然後

　
: ${\begin{pmatrix}u&v\\v^{*}&u^{*}\end{pmatrix}}$

將 _$q$_ 表示為矩陣環，其中的分裂四元數的乘法與矩陣乘法的行為相同。例如，這個矩陣的行列式是

　
: $uu^{*}-vv^{*}=qq^{*}$

減號的出現將反四元數與使用了加號的四元數 $\mathbb {H} $ 區分開來。雙曲幾何中，龐加萊圓盤模型上範數為 1 的分裂四元數代表多重引導的使用是代數最重要的運用之一。

除了復矩陣表示，另一種線性表示將反四元數與 2×2 實矩陣聯繫起來。這種同構可以明確如下：首先注意到積

　
: ${\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}}$

左邊每個因子的平方是單位矩陣，而右邊的平方是單位矩陣的負數。此外，注意這三個矩陣，連同單位矩陣，構成了 $M(2,\mathbb {R} )$ 的基。可以使上述矩陣乘積對應於反四元數環中的 $jk=-i$ 。然後，對於任意矩陣有一個雙射

　
: ${\begin{pmatrix}a&c\\b&d\end{pmatrix}}\leftrightarrow q={\frac {(a+d)+(c-b)i+(b+c)j+(a-d)k}{2}},$

這實際上形成了環同構。此外，計算各項的平方和表明 $qq^{*}=ad-bc$ ，矩陣的行列式。因此，反四元數的單位擬球與 $SL(2,\mathbb {R} )=\{g\in M(2,\mathbb {R} ):\det g=1\}$ 群同構，因此與 $SU(1,1)$ 也群同構，後者可以從上面的復表示中得到。

例如，用 2×2 實矩陣表示雙曲運動群，見 Karzel 和 Kist。

在這兩種線性表示中，範數由行列式給出。由於行列式是乘法映射，兩個反四元數積的範數等於範數的積。這樣反四元數就形成了合成代數。作為實數域上的代數，它是僅有的七個這樣的代數之一。

## 由雙曲複數生成

Kevin McCrimon 展示了如何按照 L. E. Dickson 和 Adrian Albert 為 $\mathbb {C} $ 、 $\mathbb {H} $ 和 $\mathbb {O} $ 給出的除法構造所有的合成代數。實際上，他給出了 real-split 的 doubled product 的乘法法則

　
: $(a,b)(c,d)\ =\ (ac+d^{*}b,\ da+bc^{*})$

如前所述，雙共軛 $(a,b)^{*}\ =\ (a^{*},-b),$ 因此

　
: $N(a,b)\ =\ (a,b)(a,b)^{*}\ =\ (aa^{*}-bb^{*},0).$

如果 _a_ 和 _b_ 是雙曲複數，分裂四元數 $q=(a,b)=((w+zj),(y+xj))$ 那麼

　
: $N(q)=aa^{*}-bb^{*}=w^{2}-z^{2}-(y^{2}-x^{2})=w^{2}+x^{2}-z^{2}-y^{2}$ .

## 性質

可以通過 $\mathbb {P} $ 的子空間 $\{zi+xj+yk:x,y,z\in \mathbb {R} \}$ 來了解其子代數。

令

　
: $r(\theta )=j\cos \theta +k\sin \theta $

參數 $z$ 和 $r(\theta )$ 是此子空間中圓柱坐標系的基。參數 $\theta $ 表示方位角。接下來令 a 表示任意實數，並考慮反四元數

　
: $p(a,r)=i\sinh a+r\cosh a$

　
: $v(a,r)=i\cosh a+r\sinh a$

這正是 Alexander Macfarlane 和 Carmody 的等邊雙曲面坐標。

接下來，在環的向量子空間中構造三個基礎集合:

　
: $E=\{r\in \mathbb {P} :r=r(\theta ),0\leq \theta <2\pi \}$

　
: $J=\{p(a,r)\in \mathbb {P} :a\in \mathbb {R} ,r\in E\}$ , 單葉雙曲面

　
: $I=\{v(a,r)\in \mathbb {P} :a\in \mathbb {R} ,r\in E\}$ , 雙葉雙曲面

現在很容易驗證

　
: $\{q\in \mathbb {P} :q^{2}=1\}=J\cup \{1,-1\}$

及

　
: $\{q\in \mathbb {P} :q^{2}=-1\}=I$

這些集合相等意味著當 $p\in J$ 時，平面

　
: $\{x+yp:x,y\in \mathbb {R} \}=D_{p}$

是 $\mathbb {P} $ 的一個與雙曲複數平面同構的子環，就像對 $I$ 中的任意 $v$ ，

　
: $\{x+yv:x,y\in \mathbb {R} \}=C_{v}$

是與普通複平面 $\mathbb {C} $ 同構的 $\mathbb {P} $ 的平面子環。

注意對於所有 $r\in E$ ， $(r+i)^{2}=0=(r-i)^{2}$ ，因此 $r+i$ 和 $r-i$ 是冪零元。平面 $N=\{x+y(r+i):x,y\in \mathbb {R} \}$ 是 $\mathbb {P} $ 的一個與二元數同構的子環。由於每個反四元數都必須位於某個 $D_{p}$ 、 $C_{v}$ 或 $N$ 平面上，所以這些平面組成了 $\mathbb {P} $ ，例如，單位擬球

　
: $SU(1,1)=\{q\in \mathbb {P} :qq^{*}=1\}$

包含了 $\mathbb {P} $ 的構成平面上的「單位圓」：在 $D_{p}$ 中是一個單位雙曲線，在 $N$ 中是一對平行線，而在 $C_{v}$ 中確實是一個圓。

## 泛正交性

反四元數 $q=w+xi+yj+zk$ 的純量部分為 w。

**定義** 對於非零反四元數 $q$ 和 $t$ ， $q\perp t$ 若且唯若乘積 $qt^{*}$ 的純量部分為零。

* 對任意的 $v\in I$ ，如果 $q,t\in C_{v}$ ，那麼 $q\perp t$ 意味著從 $0$ 到 $q$ 和 $t$ 的射線是垂直的。
* 對任意的 $p\in J$ ，如果 $q,t\in D_{p}$ ，那麼 $q\perp t$ 意味著這兩點是雙曲正交的。
* 對任意的 $r\in E$ ， $a\in \mathbb {R} $ ， $p(a,r)$ 和 $v(a,r)$ 滿足 $q\perp t$ 。
* 如果 $u$ 是反四元數環中的一個單位元，那麼 $q\perp t$ 意味著 $qu\perp tu$ 。

> **證明**：因向量外積的反交換性， $(tu)^{*}=u^{*}t^{*}$ ，因此 $(qu)(tu)^{*}=(uu^{*})q(t^{*})$ 。
> 
> 

## Counter-sphere geometry

The quadratic form _qq_∗ is positive definite on the planes _Cv_ and _N_. Consider the **counter-sphere** {_q_: _qq_∗ = −1}.

Take _m_ = _x_ + _y_i + _zr_ where _r_ = j cos(_θ_) + k sin(_θ_). Fix _θ_ and suppose

　
: _mm_∗ = −1 = _x_2 + y2 − z2.

Since points on the counter-sphere must line on the conjugate of the unit hyperbola in some plane _Dp_ ⊂ **P**, _m_ can be written, for some _p_ ∈ _J_

　
: $m~=p\exp {(bp)}=\sinh b+p\cosh b=\sinh b+i\sinh a~\cosh b+r\cosh a~\cosh b$ .

Let φ be the angle between the hyperbolas from _r_ to _p_ and _m_. This angle can be viewed, in the plane tangent to the counter-sphere at _r_, by projection:

　
: $\tan \phi ={\frac {x}{y}}={\frac {\sinh b}{\sinh a~\cosh b}}={\frac {\tanh b}{\sinh a}}$ . Then

　
: $\lim _{b\to \infty }\tan \phi ={\frac {1}{\sinh a}},$

as in the expression of angle of parallelism in the hyperbolic plane H2 . The parameter _θ_ determining the meridian varies over the _S_1. Thus the counter-sphere appears as the manifold _S_1 × H2.

## Application to kinematics

By using the foundations given above, one can show that the mapping

　
: $q\mapsto u^{-1}qu$

is an ordinary or hyperbolic rotation according as

　
: $u=e^{av},\quad v\in I\quad {\text{or}}\quad u=e^{ap},\quad p\in J$ .

The collection of these mappings bears some relation to the Lorentz group since it is also composed of ordinary and hyperbolic rotations. Among the peculiarities of this approach to relativistic kinematic is the anisotropic profile, say as compared to hyperbolic quaternions.

Reluctance to use coquaternions for kinematic models may stem from the (2, 2) signature when spacetime is presumed to have signature (1, 3) or (3, 1). Nevertheless, a transparently relativistic kinematics appears when a point of the counter-sphere is used to represent an inertial frame of reference. Indeed, if _tt_∗ = −1, then there is a _p_ = i sinh(_a_) + _r_ cosh(_a_) ∈ _J_ such that _t_ ∈ _D_p, and a _b_ ∈ _R_ such that _t_ = _p_ exp(_bp_). Then if _u_ = exp(_bp_), _v_ = i cosh(_a_) + _r_ sinh(_a_), and _s_ = i_r_, the set {_t_, _u_, _v_, _s_} is a pan-orthogonal basis stemming from _t_, and the orthogonalities persist through applications of the ordinary or hyperbolic rotations.

## Historical notes

The coquaternions were initially introduced (under that name) in 1849 by James Cockle in the London–Edinburgh–Dublin Philosophical Magazine. The introductory papers by Cockle were recalled in the 1904 _Bibliography_ of the Quaternion Society. Alexander Macfarlane called the structure of coquaternion vectors an _exspherical system_ when he was speaking at the International Congress of Mathematicians in Paris in 1900.

The unit sphere was considered in 1910 by Hans Beck. For example, the dihedral group appears on page 419. The coquaternion structure has also been mentioned briefly in the _Annals of Mathematics_.

## Synonyms

* Para-quaternions (Ivanov and Zamkovoy 2005, Mohaupt 2006) Manifolds with para-quaternionic structures are studied in differential geometry and string theory. In the para-quaternionic literature k is replaced with −k.
* Exspherical system (Macfarlane 1900)
* Split-quaternions (Rosenfeld 1988)
* Antiquaternions (Rosenfeld 1988)
* Pseudoquaternions (Yaglom 1968 Rosenfeld 1988)

## 參見

* Split-biquaternions
* Split-octonions
* Hypercomplex numbers

## 參考資料

## 延伸閱讀

* Brody, Dorje C., and Eva-Maria Graefe. "On complexified mechanics and coquaternions." Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 44.7 (2011): 072001. doi:10.1088/1751-8113/44/7/072001
* Ivanov, Stefan; Zamkovoy, Simeon (2005), "Parahermitian and paraquaternionic manifolds", _Differential Geometry and its Applications_ **23**, pp. 205–234, arXiv:math.DG/0310415, MR2158044.
* Mohaupt, Thomas (2006), "New developments in special geometry", arXiv:hep-th/0602171.
* Özdemir, M. (2009) "The roots of a split quaternion", _Applied Mathematics Letters_ 22:258–63. [2]
* Özdemir, M. & A.A. Ergin (2006) "Rotations with timelike quaternions in Minkowski 3-space", _Journal of Geometry and Physics_ 56: 322–36.[3]
* Pogoruy, Anatoliy & Ramon M Rodrigues-Dagnino (2008) Some algebraic and analytical properties of coquaternion algebra, _Advances in Applied Clifford Algebras_.