分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう (ぶんかいがたふくそすう、英語 えいご : split-complex number ; 分裂 ぶんれつ 複素数 ふくそすう )とは、数学 すうがく において、2つの実数 じっすう x , y と j 2 = +1 を満 み たす実数 じっすう でない量 りょう を用 もち いて z = x + yj と表 あらわ せる数 かず のことである。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう と通常 つうじょう の複素数 ふくそすう の最 もっと も大 おお きな幾何 きか 学 がく 的 てき な違 ちが いは、通常 つうじょう の複素数 ふくそすう の乗法 じょうほう が ℝ 2 における通常 つうじょう の自乗 じじょう ユークリッドノルム x 2 + y 2 に従 したが う一方 いっぽう 、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の乗法 じょうほう が自乗 じじょう ミンコフスキーノルム x 2 − y 2 に従 したが うことである。
代数 だいすう 的 てき には、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう は(通常 つうじょう の複素数 ふくそすう には無 な い)非 ひ 自明 じめい な(つまり、0 でも 1 でもない)冪 べき 等 とう 元 もと を含 ふく むという興味深 きょうみぶか い性質 せいしつ を持 も つ。また、全 すべ ての分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう が成 な す集合 しゅうごう は体 からだ にはならないが、その代 か わりに環 たまき を成 な す。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう には他 た の呼 よ び名 な がたくさんある(#別称 べっしょう を参照 さんしょう )。「分解 ぶんかい 型 がた 」(split) というのは、(p , p ) -型 かた の(計量 けいりょう 二 に 次 じ 形式 けいしき の)符号 ふごう 数 すう が「分解 ぶんかい 型 がた 符号 ふごう 数 すう 」(split signature) と呼 よ ばれることからきている。つまり、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう は分解 ぶんかい 型 がた 符号 ふごう 数 すう (1, 1) を持 も つ複素数 ふくそすう の類似 るいじ である。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう は z = x + jy なる形 かたち をしている。ここで x , y は実数 じっすう で、量 りょう j は j 2 = +1 を満 み たす、実数 じっすう (つまり ±1 )でない量 りょう (「虚数 きょすう 単位 たんい 」)である。
通常 つうじょう の複素数 ふくそすう と異 こと なるのは、虚数 きょすう 単位 たんい が i 2 = −1 でなく j 2 = +1 であることである。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう z 全体 ぜんたい からなる集合 しゅうごう は分解 ぶんかい 型 がた 複素 ふくそ 平面 へいめん (split-complex plane ) と呼 よ ばれる。分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の加法 かほう と乗法 じょうほう は
(x + jy ) + (u + jv ) = (x + u ) + j (y + v ) ,
(x + jy )(u + jv ) = (xu + yv ) + j (xv + yu )
で定義 ていぎ される。この乗法 じょうほう は可 か 換 かわ 結合 けつごう 的 てき であり、加法 かほう に対 たい して分配 ぶんぱい 的 てき である。
複素数 ふくそすう における複素 ふくそ 共役 きょうやく と同様 どうよう に、分解 ぶんかい 型 がた 複素 ふくそ 共軛 きょうやく (split-complex conjugate ) の概念 がいねん を定義 ていぎ することができる。分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう z = x + jy に対 たい して、その共軛 きょうやく は
z* ≔ x − jy
で与 あた えられる。この共軛 きょうやく は、複素 ふくそ 共役 きょうやく と同様 どうよう に、
(z + w )* = z* + w*
(z⋅w )* = z*⋅w*
(z* )* = z
などの性質 せいしつ を満 み たす。この3条件 じょうけん は分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の環 たまき が、分解 ぶんかい 型 がた 複素 ふくそ 共軛 きょうやく を対 たい 合 ごう (位 い 数 すう 2 の自己 じこ 同型 どうけい )に持 も つ対 たい 合 ごう 付 つ き環 たまき であることを示 しめ している。分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう z = x + jy の絶対 ぜったい 値 ち (平方 へいほう ノルム)は二 に 次 じ 形式 けいしき
‖ z ‖ ≔ z⋅z* = z*⋅z = x 2 − y 2
で与 あた えられる。重要 じゅうよう な性質 せいしつ として、絶対 ぜったい 値 ち は
‖ z⋅w ‖ = ‖ z ‖⋅‖ w ‖
が成立 せいりつ するという意味 いみ で分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の乗法 じょうほう と両立 りょうりつ する 。ただし、この二 に 次 じ 形式 けいしき は正 せい 定値 ていち ではなく符号 ふごう 数 すう (1, 1) を持 も つ不 ふ 定値 ていち 二 に 次 じ 形式 けいしき であるので、この絶対 ぜったい 値 ち は平方根 へいほうこん をとるわけにはいかないし取 と れたとしても(解析 かいせき 学 がく 的 てき な意味 いみ での)ノルム にはならない。分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう に付随 ふずい する (1, 1) -型 かた 双 そう 曲 きょく 的 てき (不 ふ 定値 ていち )内積 ないせき が
⟨ z , w ⟩ ≔ ℜe (z⋅w* ) = ℜe (z*⋅w ) = xu − yv
によって与 あた えられる。ただし、z = x + jy , w = u + jv である。これを用 もち いると、絶対 ぜったい 値 ち の別 べつ の表示 ひょうじ として
‖ z ‖ = ⟨ z , z ⟩
と書 か くことができる。分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう が可逆 かぎゃく であることとその絶対 ぜったい 値 ち が非 ひ 零 れい であることとは同値 どうち であり、そのとき逆 ぎゃく 元 もと は
z −1 ≔ z* ⁄‖ z ‖
で与 あた えられる。可逆 かぎゃく でない分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう はヌル元 もと (null element ) と呼 よ ばれ、ヌル元 もと の全体 ぜんたい は適当 てきとう な実数 じっすう a をとって a ± ja の形 かたち に書 か ける元 もと の全体 ぜんたい と一致 いっち する。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう には非 ひ 自明 じめい な冪 べき 等 とう 元 もと が2つ存在 そんざい して、それは e ≔ (1 − j )/2, e* = (1 + j )/2 で与 あた えられる[注釈 ちゅうしゃく 1] 。これらはともに
‖
e
‖
=
‖
e
∗
‖
=
e
∗
e
=
0
{\displaystyle \lVert e\rVert =\lVert e^{*}\rVert =e^{*}e=0}
ゆえ、ヌル元 もと である。分解 ぶんかい 型 がた 複素 ふくそ 平面 へいめん におけるもう一 ひと つの基底 きてい として {e , e* } をとるとしばしば便利 べんり である。この基底 きてい は対 たい 角 かく 基底 きてい あるいはヌル基底 きてい と呼 よ ばれる。分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう z は対 たい 角 かく 基底 きてい を用 もち いて
z = x + jy = (x − y )e + (x + y )e*
と表 あらわ せる。実数 じっすう a, b の順序 じゅんじょ 対 たい (a , b ) で分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう ae + be* を表 あらわ すとき、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の乗法 じょうほう は
(a 1 , b 1 )(a 2 , b 2 ) ≔ (a 1 a 2 , b 1 b 2 )
で与 あた えられる。この基底 きてい を用 もち いれば、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の全体 ぜんたい が環 たまき の直和 なおかず ℝ ⊕ ℝ [注釈 ちゅうしゃく 2] に同型 どうけい であることがはっきり判 わか る。
対 たい 角 かく 基底 きてい に関 かん して分解 ぶんかい 型 がた 複素 ふくそ 共軛 きょうやく は (a , b )* = (b , a ) であり、絶対 ぜったい 値 ち は ‖ (a , b ) ‖ = ab を満 み たす。
青 あお :単位 たんい 直交 ちょっこう 双曲線 そうきょくせん ‖ z ‖ = 1 , 緑 みどり :共軛 きょうやく 双曲線 そうきょくせん ‖ z ‖ = −1 , 赤 あか :漸近 ぜんきん 線 せん ‖ z ‖ = 0
ミンコフスキー内積 ないせき を備 そな えた実 じつ 二 に 次元 じげん 線型 せんけい 空間 くうかん は (1 + 1) -次元 じげん ミンコフスキー空間 くうかん と呼 よ ばれ、しばしば ℝ 1,1 と表 あらわ される。ユークリッド平面 へいめん ℝ 2 における幾何 きか 学 がく が複素数 ふくそすう を用 もち いて記述 きじゅつ できるのと同様 どうよう に、ミンコフスキー平面 へいめん ℝ 1,1 における幾何 きか 学 がく は分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう を用 もち いて記述 きじゅつ できる。
0 でない任意 にんい の実数 じっすう a に対 たい し、点 てん 集合 しゅうごう
{
z
:
‖
z
‖
=
a
2
}
{\displaystyle \{z:\lVert z\rVert =a^{2}\}}
は双曲線 そうきょくせん を成 な す。この双曲線 そうきょくせん は左右 さゆう に (a , 0) を通 とお るものと (−a , 0) を通 とお るものの2つの枝 えだ を持 も つ。a = 1 の場合 ばあい を単位 たんい 双曲線 そうきょくせん と呼 よ ぶ。各 かく a に対 たい しその共軛 きょうやく 双曲線 そうきょくせん は
{
z
:
‖
z
‖
=
−
a
2
}
{\displaystyle \{z:\lVert z\rVert =-a^{2}\}}
で与 あた えられる。これは上下 じょうげ に (0, a ) を通 とお るものと (0, −a ) を通 とお るものの2つの枝 えだ を持 も つ。この双 そう 曲面 きょくめん とその共軛 きょうやく 双 そう 曲面 きょくめん とは、ヌル元 もと 全体 ぜんたい の集合 しゅうごう
{
z
:
‖
z
‖
=
0
}
{\displaystyle \{z:\lVert z\rVert =0\}}
の成 な す、対角線 たいかくせん 上 じょう にある2つの漸近 ぜんきん 線 せん によって隔 へだ てられている。しばしばヌル錐 きり (null cone ) とも呼 よ ばれるこの2本 ほん の直線 ちょくせん は傾 かたむ き ±1 を持 も ち、ℝ 2 において直交 ちょっこう する。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう z , w が ⟨ z, w ⟩ = 0 を満 み たすとき、双 そう 曲 きょく 的 てき に直交 ちょっこう する(英語 えいご 版 ばん ) という。これは特 とく に通常 つうじょう の複素数 ふくそすう の算術 さんじゅつ として知 し られている通常 つうじょう の意味 いみ での直交 ちょっこう 性 せい の類似 るいじ であるけれども、この条件 じょうけん はそれよりは判 わか りにくいものである。これは時空 じくう における同時 どうじ 超 ちょう 平面 へいめん (simultaneous hyperplane) の概念 がいねん の根幹 こんかん を成 な す。
複素数 ふくそすう におけるオイラーの公式 こうしき の分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう に該当 がいとう する類似 るいじ 物 ぶつ として
exp
(
j
θ しーた
)
=
cosh
(
θ しーた
)
+
j
sinh
(
θ しーた
)
{\displaystyle \exp(j\theta )=\cosh(\theta )+j\sinh(\theta )}
が成立 せいりつ する。このことは、双曲線 そうきょくせん 余弦 よげん 関数 かんすう cosh(θ しーた ) の冪 べき 級数 きゅうすう 展開 てんかい が偶数 ぐうすう 次 じ の項 こう のみからなり、双曲線 そうきょくせん 正弦 せいげん 関数 かんすう sinh(θ しーた ) が奇数 きすう 次 じ の項 こう のみからなることを用 もち いて導出 どうしゅつ することができる。任意 にんい の実 じつ 数値 すうち を取 と る双 そう 曲 きょく 角 かく (英語 えいご 版 ばん ) θ しーた に対 たい し、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう λ らむだ ≔ exp(jθ しーた ) はノルムが 1 で単位 たんい 双曲線 そうきょくせん の右側 みぎがわ の枝 えだ 上 じょう にある。このような数 かず λ らむだ は双 そう 曲 きょく ベルソル と呼 よ ばれる。
λ らむだ は絶対 ぜったい 値 ち が 1 であるから、任意 にんい の分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう z への λ らむだ を掛 か ける操作 そうさ は z の絶対 ぜったい 値 ち を保 たも ち、双 そう 曲 きょく 的 てき 回転 かいてん (狭義 きょうぎ ローレンツ変換 へんかん 、縮小 しゅくしょう 写像 しゃぞう とも)を表現 ひょうげん する(「回転 かいてん 」というのは絶対 ぜったい 値 ち 1 の通常 つうじょう の複素数 ふくそすう を掛 か ける操作 そうさ が ℝ 2 の回転 かいてん を引 ひ き起 お こすことからの示唆 しさ )。λ らむだ を掛 か ける操作 そうさ は、双曲線 そうきょくせん をそれ自身 じしん に写 うつ し、ヌル錐 きり をそれ自身 じしん に写 うつ すという意味 いみ で、幾何 きか 学 がく 的 てき な構造 こうぞう を保 たも つ。
分解 ぶんかい 型 がた 複素 ふくそ 平面 へいめん 上 じょう の絶対 ぜったい 値 ち を保存 ほぞん する(同 おな じことだが内積 ないせき を保存 ほぞん する)変換 へんかん 全体 ぜんたい の成 な す集合 しゅうごう は不 ふ 定値 ていち 直交 ちょっこう 群 ぐん (英語 えいご 版 ばん ) O (1, 1) と呼 よ ばれる群 ぐん を成 な す。この群 ぐん は双 そう 曲 きょく 的 てき 回転 かいてん と z ↦ ±z および z ↦ ±z* で与 あた えられる4つの離散 りさん 的 てき 鏡 かがみ 映 うつ 変換 へんかん の組 く み合 あ わせからなる(双 そう 曲 きょく 的 てき 回転 かいてん の全体 ぜんたい は SO + (1, 1) で表 あらわ される O (1, 1) の部分 ぶぶん 群 ぐん を成 な す)。
双 そう 曲 きょく 角 かく θ しーた を双 そう 曲 きょく 回転 かいてん exp(jθ しーた ) へ写 うつ す指数 しすう 写像 しゃぞう
exp
:
(
R
,
+
)
→
S
O
+
(
1
,
1
)
{\textstyle \exp \colon (\mathbb {R} ,+)\to {\mathit {SO}}^{+}(1,1)}
は、通常 つうじょう の指数 しすう 法則 ほうそく を用 もち いれば
e
j
(
θ しーた
+
ϕ
)
=
e
j
θ しーた
e
j
ϕ
{\textstyle e^{j(\theta +\phi )}=e^{j\theta }e^{j\phi }}
が成立 せいりつ するから、群 ぐん 同型 どうけい である。
抽象 ちゅうしょう 代 だい 数学 すうがく の言葉 ことば では、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の全体 ぜんたい は多項式 たこうしき 環 たまき ℝ [x ] の x 2 − 1 が生成 せいせい するイデアル による商 しょう 環 たまき
R
[
x
]
/
(
x
2
−
1
)
{\displaystyle \mathbb {R} [x]/(x^{2}-1)}
として記述 きじゅつ できる。この商 しょう における x の像 ぞう x mod (x 2 − 1) が「虚数 きょすう 単位 たんい 」j である。この方法 ほうほう だと、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の全体 ぜんたい が標 しるべ 数 すう 0 の可 か 換 かわ 環 たまき を成 な すことは明 あき らかである。さらに自明 じめい な仕方 しかた でスカラー倍 ばい を定義 ていぎ して、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の全体 ぜんたい は実 じつ 2-次元 じげん の可 か 換 かわ な多元 たげん 環 たまき となる。この多元 たげん 環 たまき は可逆 かぎゃく 元 もと ではないヌル元 もと をもつから斜体 しゃたい でも可 か 換 かわ 体 からだ でもない。事実 じじつ として、非 ひ 零 れい ヌル元 もと はすべて零 れい 因子 いんし である。加法 かほう と乗法 じょうほう は平面 へいめん の通常 つうじょう の位相 いそう に関 かん して連続 れんぞく であるから、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の全体 ぜんたい は位相 いそう 環 たまき を成 な す。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の全体 ぜんたい は「ノルム」が正 せい 定値 ていち ではないから、術語 じゅつご を通常 つうじょう の意味 いみ に解 げ する限 かぎ りはノルム代数 だいすう を成 な さない。しかし、定義 ていぎ を拡張 かくちょう して一般 いっぱん の符号 ふごう 数 すう を持 も つノルムというものを考 かんが えれば、その意味 いみ での「ノルム代数 だいすう 」と考 かんが えることができる。これは以下 いか の事実 じじつ
‖
z
w
‖
=
‖
z
‖
‖
w
‖
{\displaystyle \lVert zw\rVert =\lVert z\rVert \lVert w\rVert }
から従 したが う。一般 いっぱん 符号 ふごう 数 すう を持 も つノルム代数 だいすう の詳細 しょうさい は (Harvey 1990 ) を参照 さんしょう 。
定義 ていぎ により、分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の環 たまき は位 い 数 すう 2 の巡回 じゅんかい 群 ぐん C 2 に対 たい する実数 じっすう 体 たい ℝ 上 うえ の群 ぐん 環 たまき ℝ [C 2 ] に同型 どうけい であることが従 したが う。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう 全体 ぜんたい の環 たまき はクリフォード代数 だいすう の特別 とくべつ の場合 ばあい で、正 せい 定値 ていち 二 に 次 じ 形式 けいしき を備 そな えた一 いち 次元 じげん ベクトル空間 くうかん 上 じょう のクリフォード代数 だいすう になっている。対 たい して通常 つうじょう の複素数 ふくそすう は負 ふ 定値 ていち 二 に 次 じ 形式 けいしき を備 そな えた一 いち 次元 じげん ベクトル空間 くうかん 上 じょう のクリフォード代数 だいすう である[注釈 ちゅうしゃく 3] 。この枠組 わくぐ みにおける分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう はクリフォード代数 だいすう Cℓ 1,0 (ℝ ) = Cℓ 0 1,1 (ℝ ) の元 もと のことである。実数 じっすう を同様 どうよう に拡張 かくちょう して複素数 ふくそすう を ℂ ≔ Cℓ 0,1 (ℝ ) = Cℓ 0 2,0 (ℝ ) と定義 ていぎ することができる。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう は行列 ぎょうれつ を用 もち いて簡単 かんたん に表示 ひょうじ できる。分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう z = x + jy は、対応 たいおう
z
↦
(
x
y
y
x
)
{\displaystyle z\mapsto {\begin{pmatrix}x&y\\y&x\end{pmatrix}}}
により行列 ぎょうれつ で表示 ひょうじ できる。分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の加法 かほう と乗法 じょうほう は行列 ぎょうれつ の加法 かほう と乗法 じょうほう によって与 あた えられる。z の絶対 ぜったい 値 ち は対応 たいおう する行列 ぎょうれつ の行列 ぎょうれつ 式 しき の値 ね として得 え られる。分解 ぶんかい 型 がた 複素 ふくそ 共軛 きょうやく は両側 りょうがわ から次 つぎ の行列 ぎょうれつ
C
=
(
1
0
0
−
1
)
{\displaystyle C={\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}}
を掛 か けることに対応 たいおう する。任意 にんい の実数 じっすう a に対 たい し、双 そう 曲 きょく 角 かく a の双 そう 曲 きょく 的 てき 回転 かいてん は行列 ぎょうれつ
(
cosh
a
sinh
a
sinh
a
cosh
a
)
{\displaystyle {\begin{pmatrix}\cosh a&\sinh a\\\sinh a&\cosh a\end{pmatrix}}}
を掛 か けることに対応 たいおう する。分解 ぶんかい 型 がた 複素 ふくそ 平面 へいめん の対 たい 角 かく 基底 きてい は、z = x + jy を順序 じゅんじょ 対 たい (x , y ) で表 あらわ し、写像 しゃぞう
(
u
,
v
)
=
(
x
,
y
)
(
1
1
1
−
1
)
{\displaystyle (u,v)=(x,y){\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}}}
を作 つく ることによって想起 そうき される。すると二 に 次 じ 形式 けいしき は uv = (x + y )(x − y ) = x 2 − y 2 で得 え られる。さらに
(
cosh
a
,
sinh
a
)
(
1
1
1
−
1
)
=
(
e
a
,
e
−
a
)
{\displaystyle (\cosh a,\sinh a){\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}}=(e^{a},e^{-a})}
だから、2つのパラメータ付 つ けられた (英語 えいご 版 ばん ) 双曲線 そうきょくせん は互 たが いに他方 たほう へ写 うつ される。ベルソル ebj の作用 さよう は従 したが って線型 せんけい 変換 へんかん
(
u
,
v
)
↦
(
r
u
,
v
/
r
)
(
r
=
e
b
)
{\displaystyle (u,v)\mapsto (ru,v/r)\qquad (r=e^{b})}
のもとで縮小 しゅくしょう 写像 しゃぞう に対応 たいおう する。
この対応 たいおう は A = B = ℝ 1,1 および C = D = ℝ 2 とし、f を双 そう 曲 きょく ベルソルの作用 さよう 、g, h を行列 ぎょうれつ による線型 せんけい 変換 へんかん 、k を縮小 しゅくしょう 写像 しゃぞう とするとき可 か 換 かわ 図式 ずしき
を満足 まんぞく する。
分解 ぶんかい 型 がた 複素数 ふくそすう の高 こう 次元 じげん 版 ばん は、ケーリー=ディクソン構成 こうせい を修正 しゅうせい することによって得 え られる。
包絡 ほうらく 環 たまき と数 かず の目録 もくろく に関 かん して
^ これらが冪 べき 等 とう とは e⋅e = e および e*⋅e* = e* が満 み たされることであった
^ 加法 かほう と乗法 じょうほう は成分 せいぶん ごとのそれで定義 ていぎ する。
^ 注意 ちゅうい :著者 ちょしゃ によってはクリフォード代数 だいすう における符号 ふごう を逆 ぎゃく にしているものがあるので、その場合 ばあい は正 せい 定値 ていち と負 ふ 定値 ていち を入 い れ替 か えて読 よ む必要 ひつよう がある
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出典 しゅってん は列挙 れっきょ するだけでなく、脚注 きゃくちゅう などを用 もち いてどの記述 きじゅつ の情報 じょうほう 源 げん であるかを明記 めいき してください。記事 きじ の信頼 しんらい 性 せい 向上 こうじょう にご協力 きょうりょく をお願 ねが いいたします。(2017年 ねん 12月 )
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