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分解型複素数 - Wikipedia

分解ぶんかいがた複素数ふくそすう

実数じっすうたい a と b とで、1と自乗じじょうすると +1 になる要素ようそ j の線型せんけい結合けつごう a + bj のかたちあらわされるかず

分解ぶんかい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, yj2 = +1たす実数じっすうでないりょうもちいて z = x + yjあらわせるかずのことである。

分解ぶんかいがた複素数ふくそすう通常つうじょう複素数ふくそすうもっとおおきな幾何きかがくてきちがいは、通常つうじょう複素数ふくそすう乗法じょうほう2 における通常つうじょう自乗じじょうユークリッドノルム x2 + y2したが一方いっぽう分解ぶんかいがた複素数ふくそすう乗法じょうほう自乗じじょうミンコフスキーノルム x2y2したがうことである。

代数だいすうてきには、分解ぶんかいがた複素数ふくそすうは(通常つうじょう複素数ふくそすうにはい)自明じめいな(つまり、0 でも 1 でもない)べきとうもとふくむという興味深きょうみぶか性質せいしつつ。また、すべての分解ぶんかいがた複素数ふくそすう集合しゅうごうからだにはならないが、そのわりにたまきす。

分解ぶんかいがた複素数ふくそすうにはがたくさんある(#別称べっしょう参照さんしょう)。「分解ぶんかいがた(split) というのは、(p, p)-かたの(計量けいりょう形式けいしきの)符号ふごうすうが「分解ぶんかいがた符号ふごうすう」(split signature) とばれることからきている。つまり、分解ぶんかいがた複素数ふくそすう分解ぶんかいがた符号ふごうすう (1, 1)複素数ふくそすう類似るいじである。

分解ぶんかいがた複素数ふくそすうz = x + jy なるかたちをしている。ここで x, y実数じっすうで、りょう jj2 = +1たす、実数じっすう(つまり ±1)でないりょう(「虚数きょすう単位たんい」)である。

通常つうじょう複素数ふくそすうことなるのは、虚数きょすう単位たんいi2 = −1 でなく j2 = +1 であることである。

分解ぶんかい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分解ぶんかいがた複素ふくそ平面へいめん (split-complex plane)ばれる。分解ぶんかいがた複素数ふくそすう加法かほう乗法じょうほう

(x + jy) + (u + jv) = (x + u) + j(y + v),
(x + jy)(u + jv) = (xu + yv) + j(xv + yu)

定義ていぎされる。この乗法じょうほうかわ結合けつごうてきであり、加法かほうたいして分配ぶんぱいてきである。

共軛きょうやく、ノルムおよび内積ないせき

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複素数ふくそすうにおける複素ふくそ共役きょうやく同様どうように、分解ぶんかいがた複素ふくそ共軛きょうやく (split-complex conjugate)概念がいねん定義ていぎすることができる。分解ぶんかいがた複素数ふくそすう z = x + jyたいして、その共軛きょうやく

z*xjy

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たす。この3条件じょうけん分解ぶんかいがた複素数ふくそすうたまきが、分解ぶんかいがた複素ふくそ共軛きょうやくたいごうすう 2 の自己じこ同型どうけい)にたいごうたまきであることをしめしている。分解ぶんかいがた複素数ふくそすう z = x + jy絶対ぜったい平方へいほうノルム)は形式けいしき

‖ z ‖ ≔ z⋅z* = z*⋅z = x2y2

あたえられる。重要じゅうよう性質せいしつとして、絶対ぜったい

‖ z⋅w ‖ = ‖ z ‖⋅‖ w ‖

成立せいりつするという意味いみ分解ぶんかいがた複素数ふくそすう乗法じょうほう両立りょうりつする。ただし、この形式けいしきせい定値ていちではなく符号ふごうすう (1, 1)定値ていち形式けいしきであるので、この絶対ぜったい平方根へいほうこんをとるわけにはいかないしれたとしても(解析かいせきがくてき意味いみでの)ノルムにはならない。分解ぶんかいがた複素数ふくそすう付随ふずいする (1, 1)-かたそうきょくてき定値ていち内積ないせき

z, wℜe(z⋅w*) = ℜe(z*⋅w) = xuyv

によってあたえられる。ただし、z = x + jy, w = u + jv である。これをもちいると、絶対ぜったいべつ表示ひょうじとして

‖ z ‖ = z, z

くことができる。分解ぶんかいがた複素数ふくそすう可逆かぎゃくであることとその絶対ぜったいれいであることとは同値どうちであり、そのときぎゃくもと

z−1z*‖ z ‖

あたえられる。可逆かぎゃくでない分解ぶんかいがた複素数ふくそすうヌルもと (null element)ばれ、ヌルもと全体ぜんたい適当てきとう実数じっすう a をとって a ± jaかたちけるもと全体ぜんたい一致いっちする。

たいかく基底きてい

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分解ぶんかいがた複素数ふくそすうには自明じめいべきとうもとが2つ存在そんざいして、それは e ≔ (1 − j)/2, e* = (1 + j)/2あたえられる[注釈ちゅうしゃく 1]。これらはともに

 

ゆえ、ヌルもとである。分解ぶんかいがた複素ふくそ平面へいめんにおけるもう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。この基底きていたいかく基底きていあるいはヌル基底きていばれる。分解ぶんかいがた複素数ふくそすう zたいかく基底きていもちいて

z = x + jy = (xy)e + (x + y)e*

あらわせる。実数じっすう a, b順序じゅんじょたい (a, b)分解ぶんかいがた複素数ふくそすう ae + be*あらわすとき、分解ぶんかいがた複素数ふくそすう乗法じょうほう

(a1, b1)(a2, b2) ≔ (a1a2, b1b2)

あたえられる。この基底きていもちいれば、分解ぶんかいがた複素数ふくそすう全体ぜんたいたまき直和なおかず [注釈ちゅうしゃく 2]同型どうけいであることがはっきりわかる。

たいかく基底きていかんして分解ぶんかいがた複素ふくそ共軛きょうやく(a, b)* = (b, a) であり、絶対ぜったい‖ (a, b) ‖ = abたす。

分解ぶんかいがた複素数ふくそすう幾何きか

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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, みどり共軛きょうやく双曲線そうきょくせん ‖ z ‖ = −1, あか漸近ぜんきんせん ‖ z ‖ = 0

ミンコフスキー内積ないせきそなえたじつ次元じげん線型せんけい空間くうかん(1 + 1)-次元じげんミンコフスキー空間くうかんばれ、しばしば 1,1あらわされる。ユークリッド平面へいめん 2 における幾何きかがく複素数ふくそすう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 1,1 における幾何きかがく分解ぶんかいがた複素数ふくそすうもちいて記述きじゅつできる。

0 でない任意にんい実数じっすう aたいし、てん集合しゅうごう

 

双曲線そうきょくせんす。この双曲線そうきょくせん左右さゆう(a, 0)とおるものと (−a, 0)とおるものの2つのえだつ。a = 1場合ばあい単位たんい双曲線そうきょくせんぶ。かく aたいしその共軛きょうやく双曲線そうきょくせん

 

あたえられる。これは上下じょうげ(0, a)とおるものと (0, −a)とおるものの2つのえだつ。このそう曲面きょくめんとその共軛きょうやくそう曲面きょくめんとは、ヌルもと全体ぜんたい集合しゅうごう

 

す、対角線たいかくせんじょうにある2つの漸近ぜんきんせんによってへだてられている。しばしばヌルきり (null cone) ともばれるこの2ほん直線ちょくせんかたむ±1ち、2 において直交ちょっこうする。

分解ぶんかいがた複素数ふくそすう z, wz, w = 0たすとき、そうきょくてき直交ちょっこうする英語えいごばんという。これはとく通常つうじょう複素数ふくそすう算術さんじゅつとしてられている通常つうじょう意味いみでの直交ちょっこうせい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ちょう平面へいめん (simultaneous hyperplane) の概念がいねん根幹こんかんす。

複素数ふくそすうにおけるオイラーの公式こうしき分解ぶんかいがた複素数ふくそすう該当がいとうする類似るいじぶつとして

 

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)べき級数きゅうすう展開てんかい偶数ぐうすうこうのみからなり、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)奇数きすうこうのみからなることをもちいて導出どうしゅつすることができる。任意にんいじつ数値すうちそうきょくかく英語えいごばん θしーたたいし、分解ぶんかい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単位たんい双曲線そうきょくせん右側みぎがわえだじょうにある。このようなかず λらむだそうきょくベルソルばれる。

λらむだ絶対ぜったい1 であるから、任意にんい分解ぶんかいがた複素数ふくそすう z への λらむだける操作そうさz絶対ぜったいたもち、そうきょく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 1通常つうじょう複素数ふくそすうける操作そうさ2回転かいてんこすことからの示唆しさ)。λらむだける操作そうさは、双曲線そうきょくせんをそれ自身じしんうつし、ヌルきりをそれ自身じしんうつすという意味いみで、幾何きかがくてき構造こうぞうたもつ。

分解ぶんかいがた複素ふくそ平面へいめんじょう絶対ぜったい保存ほぞんする(おなじことだが内積ないせき保存ほぞんする)変換へんかん全体ぜんたい集合しゅうごう定値ていち直交ちょっこうぐん英語えいごばん O(1, 1)ばれるぐんす。このぐんそうきょくてき回転かいてんz ↦ ±z および z ↦ ±z*あたえられる4つの離散りさんてきかがみうつ変換へんかんわせからなる(そうきょくてき回転かいてん全体ぜんたいSO+(1, 1)あらわされる O(1, 1)部分ぶぶんぐんす)。

そうきょくかく θしーたそうきょく回転かいてん exp(jθしーた)うつ指数しすう写像しゃぞう   は、通常つうじょう指数しすう法則ほうそくもちいれば  成立せいりつするから、ぐん同型どうけいである。

代数だいすうてき性質せいしつ

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抽象ちゅうしょうだい数学すうがく言葉ことばでは、分解ぶんかいがた複素数ふくそすう全体ぜんたい多項式たこうしきたまき [x]x2 − 1生成せいせいするイデアルによるしょうたまき

 

として記述きじゅつできる。このしょうにおける xぞう x mod (x2 − 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、分解ぶんかいがた複素数ふくそすう全体ぜんたいしるべすう 0かわたまきすことはあきらかである。さらに自明じめい仕方しかたでスカラーばい定義ていぎして、分解ぶんかいがた複素数ふくそすう全体ぜんたいじつ 2-次元じげんかわ多元たげんたまきとなる。この多元たげんたまき可逆かぎゃくもとではないヌルもとをもつから斜体しゃたいでもかわからだでもない。事実じじつとして、れいヌルもとはすべてれい因子いんしである。加法かほう乗法じょうほう平面へいめん通常つうじょう位相いそうかんして連続れんぞくであるから、分解ぶんかいがた複素数ふくそすう全体ぜんたい位相いそうたまきす。

分解ぶんかいがた複素数ふくそすう全体ぜんたいは「ノルム」がせい定値ていちではないから、術語じゅつご通常つうじょう意味いみするかぎりはノルム代数だいすうさない。しかし、定義ていぎ拡張かくちょうして一般いっぱん符号ふごうすうつノルムというものをかんがえれば、その意味いみでの「ノルム代数だいすう」とかんがえることができる。これは以下いか事実じじつ

 

からしたがう。一般いっぱん符号ふごうすうつノルム代数だいすう詳細しょうさいは (Harvey 1990) を参照さんしょう

定義ていぎにより、分解ぶんかいがた複素数ふくそすうたまきすう 2巡回じゅんかいぐん C2たいする実数じっすうたい うえぐんたまき [C2]同型どうけいであることがしたがう。

分解ぶんかいがた複素数ふくそすう全体ぜんたいたまきクリフォード代数だいすう特別とくべつ場合ばあいで、せい定値ていち形式けいしきそなえたいち次元じげんベクトル空間くうかんじょうのクリフォード代数だいすうになっている。たいして通常つうじょう複素数ふくそすう定値ていち形式けいしきそなえたいち次元じげんベクトル空間くうかん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がた複素数ふくそすうクリフォード代数だいすう Cℓ 1,0 () = Cℓ 0
1,1
 
()
もとのことである。実数じっすう同様どうよう拡張かくちょうして複素数ふくそすうCℓ 0,1 () = Cℓ 0
2,0
 
()
定義ていぎすることができる。

行列ぎょうれつ表現ひょうげん

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分解ぶんかいがた複素数ふくそすう行列ぎょうれつもちいて簡単かんたん表示ひょうじできる。分解ぶんかいがた複素数ふくそすう z = x + jy は、対応たいおう

 

により行列ぎょうれつ表示ひょうじできる。分解ぶんかいがた複素数ふくそすう加法かほう乗法じょうほう行列ぎょうれつ加法かほう乗法じょうほうによってあたえられる。z絶対ぜったい対応たいおうする行列ぎょうれつ行列ぎょうれつしきとしてられる。分解ぶんかいがた複素ふくそ共軛きょうやく両側りょうがわからつぎ行列ぎょうれつ

 

けることに対応たいおうする。任意にんい実数じっすう aたいし、そうきょくかく aそうきょくてき回転かいてん行列ぎょうれつ

 

けることに対応たいおうする。分解ぶんかいがた複素ふくそ平面へいめんたいかく基底きていは、z = x + jy順序じゅんじょたい (x, y)あらわし、写像しゃぞう

 

つくることによって想起そうきされる。すると形式けいしきuv = (x + y)(xy) = x2y2られる。さらに

 

だから、2つのパラメータけられた英語えいごばん双曲線そうきょくせんたがいに他方たほううつされる。ベルソル ebj作用さようしたがって線型せんけい変換へんかん

 

のもとで縮小しゅくしょう写像しゃぞう対応たいおうする。

この対応たいおうA = B = 1,1 および C = D = 2 とし、fそうきょくベルソルの作用さようg, h行列ぎょうれつによる線型せんけい変換へんかんk縮小しゅくしょう写像しゃぞうとするときかわ図式ずしき

 

満足まんぞくする。

分解ぶんかいがた複素数ふくそすう使用しようは、1848ねんジェームズ・クックル英語えいごばんそう複素数ふくそすう概念がいねん発明はつめいしたときにまでさかのぼれる[1]ウィリアム・クリフォード英語えいごばんはスピンのあらわすために分解ぶんかいがた複素数ふくそすうもちいている。クリフォードは、分解ぶんかいがた複素数ふくそすう今日きょう分解ぶんかいがたそうよんげんすうばれるよんげんすう代数だいすう係数けいすうとしての使用しようほう導入どうにゅうした。かれはそのもとを "motor" とんで分解ぶんかいがた複素数ふくそすう研究けんきゅういくもちいている。

20世紀せいきはいると、分解ぶんかいがた複素数ふくそすうそうきょくてき回転かいてんによって基準きじゅんけいあいだ速度そくど変化へんかをよくあらわしていたため、時空じくう平面へいめんにおけるローレンツ変換へんかん空間くうかん相対そうたいせい記述きじゅつするものとしておもて舞台ぶたいあらわれる。

1935ねんに J. C. Vignaux, A. Durañona, Vedia らは雑誌ざっし Contribución a las Ciencias Físicas y Matemáticasにおける4つの論文ろんぶん分解ぶんかいがた複素ふくそ幾何きか代数だいすう函数かんすうろん展開てんかいした[2]詳細しょうさい分解ぶんかいがた複素ふくそ変数へんすう函数かんすう英語えいごばんこう参照さんしょう

1941ねん E.F. Allen は分解ぶんかいがた複素ふくそ幾何きか算術さんじゅつもちいて zz* = 1内接ないせつする三角形さんかっけい9てん双曲線そうきょくせん英語えいごばん構成こうせいした[3]

別称べっしょう

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分解ぶんかいがた複素数ふくそすう名称めいしょう著者ちょしゃによってかなりバラつきがある。いくつかげれば

  • じつテッサリン:(real) tessarine, James Cockle (1848)
  • 代数だいすうてき運動うんどう:(algebraic) motor, William Kingdon Clifford (1882)("Further Notes on Biquaternions")
  • そうきょくかた複素数ふくそすうhyperbolic complex number, J.C. Vignaux (1935) および G. Sobczyk (1995)
  • はん複素数ふくそすうそうきょくすうcountercomplex or hyperbolic number(ハイパーすう一部いちぶとして)
  • じゅうすうdouble number, Isaak Yaglom (1968) および Encyclopedia of Mathematics の "Double and dual numbers" のこう
  • 異常いじょう複素数ふくそすうanormal-complex number, W. Benz (1973)
  • そうすうdual number, Louis Kauffman (1985) および J. Hucks (1993)
  • 当惑とうわくすう複雑ふくざつすうperplex number, P. Fjelstad (1986):416 [同定どうていDe Boer (1987):296よ]
  • ローレンツすうLorentz number, F. R. Harvey (1990)
  • 分裂ぶんれつ複素数ふくそすう分解ぶんかいがた複素数ふくそすうsplit-complex number, B. Rosenfeld (1997):30

分解ぶんかいがた複素数ふくそすうやそのこう次元じげんばん分解ぶんかいがたよんげんすう分解ぶんかいがたはちげんすう)はシャルル・ミュゼ英語えいごばん考案こうあんしたハイパーすう英語えいごばん計画けいかく部分ぶぶん集合しゅうごうであるため、「ミュゼすう」としてたびたび言及げんきゅうされる。

関連かんれん項目こうもく

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分解ぶんかいがた複素数ふくそすうこう次元じげんばんは、ケーリー=ディクソン構成こうせい修正しゅうせいすることによってられる。

包絡ほうらくたまきかず目録もくろくかんして

注釈ちゅうしゃく

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  1. ^ これらがべきとうとは e⋅e = e および e*⋅e* = e*たされることであった
  2. ^ 加法かほう乗法じょうほう成分せいぶんごとのそれで定義ていぎする。
  3. ^ 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ぎゃくにしているものがあるので、その場合ばあいせい定値ていち定値ていちえて必要ひつようがある

出典しゅってん

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  1. ^ Mr. J. Cockle on a New Imaginary in Algebra, , London-Edinburgh-Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 34: 37-47, (1849), https://www.biodiversitylibrary.org/item/20121#page/51/mode/1up 
  2. ^ Vignaux 1935.
  3. ^ Allen, E. F. (1941), On a Triangle Inscribed in a Rectangular Hyperbola American Mathematical Monthly, 48, pp. 675-681 

参考さんこう文献ぶんけん

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  • Benz, W. (1973), uber Geometrie der Algebren, Springer 
  • William Kingdon Clifford (1882), Mathematical Works, edited by A.W.Tucker 
  • Cockle, J. (1848), “A New Imaginary in Algebra”, London-Edinburgh-Dublin Philosophical Magazine 33 (3): 345-349 
  • De Boer, R. (1987), “An also known as list for perplex numbers”, American Journal of Physics 55 (4): 296 
  • Fjelstadt, P. (1986), “Extending Special Relativity with Perplex Numbers”, American Journal of Physics 54: 416 
  • Hucks, J. (1993), “Hyperbolic Complex Structures in Physics”, Journal of Mathematical Physics 34: 5986 
  • F. Reese Harvey (1990), Spinors and calibrations, San Diego: Academic Press, ISBN 0-12-329650-1 不定ふてい符号ふごうすうのノルム代数だいすうおよびローレンツすうかんする記述きじゅつふくむ。
  • Louis Kauffman (1985), “Transformations in Special Relativity”, International Journal of Theoretical Physics 24: 223-236 
  • Rosenfeld, B. (1997), Geometry of Lie Groups, Kluwer Academic Publishers, ISBN 0-7923-4390-5 
  • Sobczyk, G. (1995) (PDF), Hyperbolic Number Plane, http://www.garretstar.com/HYP2.PDF 
  • Vignaux, J. (1935), “Sobre el numero complejo hiperbolico y su relacion con la geometria de Borel” (Spanish), Contribucion al Estudio de las Ciencias Fisicas y Matematicas (Universidad Nacional de la Plata, Republica Argentina) 
  • Isaak Yaglom (1968), Complex Numbers in Geometry, translated by E. Primrose from 1963 Russian original, N.Y.: Academic Press 

関連かんれん文献ぶんけん

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  • C. Musès, Applied hypernumbers: Computational concepts, Appl. Math. Comput. 3 (1977) 211–226.
  • C. Musès, Hypernumbers II—Further concepts and computational applications, Appl. Math. Comput. 4 (1978) 45–66.
  • K. Carmody, Circular and hyperbolic quaternions, octonions, and sedenions, Appl. Math. Comput. 28:47–72 (1988)
  • K. Carmody, Circular and hyperbolic quaternions, octonions, and sedenions— further results, Appl. Math. Comput. 84:27–48 (1997)

外部がいぶリンク

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