两个四元数可以有相同的二次关系,却写成很不一样的坐标。要证明它们只是同一作用的不同摆放,需要交出一个可逆元素 c ,把一个夹成另一个:β = c α c − 1 。先消去逆元会得到线性方程,但线性方程的一个非零解可能恰好不可逆。本页把这最后一步也做成有终止保证的检查。
形式陈述
一个元素的共轭合同
设 B = ( a , b ) F 是四元数代数 理路 四元数代数与约化范数 Quaternion algebra · Reduced norm of a quaternion algebra · 四元数约化范数 从四个坐标的非交换乘法构造四元数代数,证明共轭、约化范数与双侧逆,并区分除代数、分裂代数和普通左乘行列式。 ,char F ≠ 2 、a b ≠ 0 。其中心恰为 F 1 :与 i 交换迫使 j , i j 坐标为零,再与 j 交换迫使 i 坐标为零。
对两个非中心 元素 α , β ∈ B ∖ F ,以下条件等价:
(1) ∃ c ∈ B × : β = c α c − 1 ⟺ trd ( α ) = trd ( β ) , nrd ( α ) = nrd ( β ) . 允许 α , β 是零因子或非零幂零元,只是不允许把中心标量混入这个两变量判据。
将未知 c 写成四个基坐标,解齐次方程
(2) β c − c α = 0. 当式 (1) 的右侧成立时,其解空间 W 恰为二维。给 W 的任一组基 ( c 1 , c 2 ) ,从
(3) c = r c 1 + s c 2 , r , s ∈ { 0 , 1 , − 1 } 这至多九个候选中,必能找到 nrd ( c ) ≠ 0 的一个。于是式 (2) 连同非零范数就是可直接乘回的共轭证书。
若已经找到 c 0 ,则全部 可逆共轭元为
(4) { c ∈ B × : β = c α c − 1 } = c 0 F [ α ] × . 其中 F [ α ] = F 1 + F α ,但它未必是域;右侧只取该二次代数中的可逆元素。
整个自同构的合同
每个含幺 F -代数自同构 φ : B → B 都可写成
(5) φ ( x ) = c x c − 1 ( x ∈ B ) 而 c 在非零基域标量倍数之外唯一。已知 i ′ = φ ( i ) 、j ′ = φ ( j ) 时,只需求联合线性方程
(6) i ′ c = c i , j ′ c = c j . 其解空间是一维,每个非零解都可逆。若输入只是候选生成元像,还须先核 i ′ 2 = a 、j ′ 2 = b 、j ′ i ′ = − i ′ j ′ ,以及 ( 1 , i ′ , j ′ , i ′ j ′ ) 的坐标矩阵可逆;核过之后才有一份真正的自同构输入。
直觉
线性部分与可逆部分各负责什么
式 (2) 对 c 线性,因为 α , β 已固定。按乘法表构造四列 β e r − e r α ,就得到一个 4 × 4 齐次系统。用行化简 理路 行化简 Row reduction 用初等行变换把矩阵化为阶梯形以求解线性方程组和判定秩。 可以算出完整核基。
但核只记录“交织作用”,不保证这次换坐标可逆。若 nrd ( c ) = 0 ,就不能在右边乘 c − 1 ;把 c ≠ 0 当作足够条件,只对除代数安全,对分裂代数会出错。
在二维核上,范数限制为二次多项式
P ( r , s ) = nrd ( r c 1 + s c 2 ) . 下面证明 P 不是零多项式。每个变量次数至多二,而 0 , 1 , − 1 是三个不同的域元素。因此它不可能在整个三乘三网格上为零:先固定 s ,若三个 r 值都为零,则关于 r 的每个系数为零;再对三个 s 值重复,就会迫使所有系数为零,矛盾。这个论证对最小的允许素域 F 3 也成立。
图片加载失败 非零线性解还须通过范数检验 为什么要排除中心元素
非中心 α 的 1 , α 线性无关,其最短关系恰为
(7) X 2 − trd ( α ) X + nrd ( α ) . 它也等于左乘算子 L α 的极小多项式 理路 线性算子的极小多项式 Minimal polynomial of an operator 首一且次数最低、代入算子后为零的非零多项式。 :p ( L α ) = 0 当且仅当 p ( α ) = 0 ,反向只需把算子作用于 1 。这不是域中代数元的极小多项式定义,故不要求式 (7) 不可约。
共轭保所有多项式关系,因此共轭非中心元素必须具有相同的式 (7),得出式 (1) 的必要性。若 α = t 1 是标量,它的共轭永远是自身;此时正确判据是 β = α ,不能只比较二次的约化特征多项式。
例子与边界
有理模型:把 i 送成 − i j
在 B = ( 2 , − 1 ) Q 中,取 α = i 、β = − k 。它们的迹都为零,范数都为 − 2 。令 c 0 = 1 + j ,有 nrd ( c 0 ) = 2 ,且
( − k ) ( 1 + j ) = i − k = ( 1 + j ) i . 所以
c 0 − 1 = 1 − j 2 , ( 1 + j ) i 1 − j 2 = − k . 交织空间的完整写法是
(8) W = { r ( 1 + j ) + s ( i − k ) : r , s ∈ Q } , nrd ( c ) = 2 ( r 2 − 2 s 2 ) . 因为 2 不是有理数平方,式 (8) 只有在 r = s = 0 时才为零。因此这个特定核里的每个非零解都可逆;这来自输入的二次域结构,不是所有分裂代数的普遍规律。
同一个 c 0 还固定 j ,并将 k 送到 i 。给定生成元像 i ′ = − k , j ′ = j 后,式 (6) 的解恰为 F ( 1 + j ) 。它比单独送 i 的二维解族更小,因为必须同时满足第二个生成元的约束。
两个核基都坏,和却是好的
在 ( 1 , 1 ) F 中令 α = β = i 。它的中心化空间为 F 1 + F i 。选取合法基
c 1 = 1 + i , c 2 = 1 − i . 两者都非零,且范数均为零。若只逐个检查基向量,就会错误地报告“找不到可逆共轭元”。但
c 1 + c 2 = 2 , nrd ( 2 ) = 4 ≠ 0. 一般组合的范数为 4 r s ,式 (3) 一定遇到 r s ≠ 0 的组合。这个例子也解释了为什么九次保证必须允许线性组合,而不能只试两个基。
重根并不自动破坏结论
在矩阵模型 M 2 ( F ) 中,
A = ( 0 1 0 0 ) , B 1 = ( 0 0 1 0 ) 都非中心,迹与行列式都为零,且都满足 X 2 。矩阵 C = ( 0 1 1 0 ) 可逆,并满足 B 1 C = C A ,所以它们共轭。本页没有不必要地要求判别式非零。
然而零矩阵也有迹零和行列式零,却不能与 A 共轭:C 0 C − 1 = 0 。这正是式 (1) 排除中心元素的必要性。换成 t I 2 与 t I 2 + A ,同样说明相同约化特征多项式不够覆盖标量分支。
这些矩阵可用分裂同构的逆坐标 理路 四元数分裂的范数与矩阵证书 Splitting criterion for quaternion algebras · Quaternion norm equation · 四元数分裂判据 证明四元数分裂、非零零范数、二次范数方程与圆锥有点等价,并把一个解转成原域上的矩阵同构及逆坐标。 送回 ( 1 , 1 ) F ,所以反例和重根例确实属于同一类四元数代数,未换到更高维环境。
推论与应用
在扩域中证明存在,再在原域中有限找回
取 E = F ( a ) ;四元数的显式矩阵模型将 B 扩系数后变为 M 2 ( E ) 。原来非中心的元素在扩域后仍非中心,因为其某个非标量坐标非零。
先看任意非标量二阶矩阵 A 。存在向量 v 使 ( v , A v ) 为基:否则每个非零向量都为特征向量;取两个基向量再取其和,会迫使对应特征值相同,导致 A 为标量,矛盾。若 A 的迹与行列式为 t , n ,在基 ( v , A v ) 下,它的矩阵就是
( 0 − n 1 t ) , 因为 A 2 v = t A v − n v 。因此相同 t , n 的两个非标量矩阵在 E 上相似,存在可逆交织元。
此外,与 A 交换的矩阵由它对 v 的作用唯一决定:若 T v = r v + s A v ,则 T A v = A T v ,所以 T = r I + s A 。中心化空间恰为二维。一旦有可逆交织元,其余交织元就是它乘以这个中心化空间,故交织空间也为二维。
线性系统扩系数不会改变主元位置和秩,原域求出的核基仍是扩域后的核基。因此原域中的 W 是二维,并且它的范数多项式在 E 上至少有一个非零值,故不是零多项式。前面的三乘三网格随即在 F 内找到可逆 c 。我们没有把“扩域后可解”直接当成“原域必可解”;原域回收由这个有次数控制的非零多项式论证完成。
全部共轭元为什么恰是一族陪集
若 c , c 0 都将 α 送到 β ,则 c 0 − 1 c 与 α 交换;反过来,右乘任意与 α 交换的可逆元素都不改变目标。上面的二维中心化计算下降到 F ,给出中心化代数 F [ α ] 。
在可逆群 B × 中,这正是中心化子 理路 中心化子与群中心 Centralizer · Center of a group 与指定元素集合逐一交换的群元素构成中心化子;与全群交换的部分构成群中心。 的陪集公式,得到式 (4)。若式 (7) 不可约,F [ α ] 是二次域,每个非零元素都可逆;若它分裂为两个不同根,对应 F × F ,两分量都非零才可逆;若是重根,则是带非零幂零元的二次代数,同样必须单独检查范数。
内自同构的证明与一维联合核
最后证明式 (5),而不把它当作未说明的分类定理。先在 M 2 ( E ) 中考虑一个 E -代数自同构 ψ 。矩阵单位的像仍满足
ψ ( E r s ) ψ ( E u v ) = δ s u ψ ( E r v ) . ψ ( E 11 ) 是非零且不为单位的幂等元,故其像是一维。选该像中的 v ≠ 0 ,令 w = ψ ( E 21 ) v 。因为 ψ ( E 12 ) w = v ,有 w ≠ 0 ;又有 ψ ( E 11 ) v = v 、ψ ( E 11 ) w = 0 ,所以 ( v , w ) 线性无关。四个矩阵单位的像在此基中恰为原四个矩阵单位。因此 ψ 是由换基矩阵 ( v , w ) 实现的内自同构。
将给定 F -自同构扩系数到 E ,便得到这样的可逆交织元。同时交织所有矩阵的两元素之比位于中心 E I 2 ,所以式 (6) 在 E 上的核是一维,并由可逆元张成。行化简再说明 F 上的核也一维;其任何非零基向量在 E 中仍为该可逆元的非零倍,范数非零,因而在 B 中可逆。这样完成存在性下降。
若 c , d 实现相同自同构,d − 1 c 与 i , j 都交换,所以属于 F × 。这也证明唯一标量类,而不是声称具体四元坐标唯一。
这两项算法都只解至多 8 × 4 的精确线性系统。元素共轭再至多核九个二次值,自同构则只核一个非零核基向量。维数固定只控制域运算次数;有理输入的位成本仍随分子分母长度增长。验收应从原始生成元像重新构造方程,再检查范数与乘回,不能信任证书自填的“秩二”或“可逆”标记。
参考资料