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定理Theorem

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。

四个坐标与四个矩阵位置数量相同,为什么不能直接说一个四元数代数就是二阶矩阵代数?因为同构还必须保乘法,而且所有矩阵条目必须留在指定基域。找到一个二次方程的解,才会提供合适的乘法模型;找不到几个小解并不能证明模型不存在。

形式陈述 ​

四种等价的可核验输出 ​

设 F 的特征不为 2,a,b∈F×,B=(a,b)F 为四元数代数。称 B 在 F 上分裂,是指存在含幺 F-代数同构 B≅M2(F)。以下条件等价:

  1. B 在 F 上分裂。
  2. 存在非零 q=t+xi+yj+zij,满足 nrd(q)=t2−ax2−by2+abz2=0。
  3. 存在 u,v∈F,使
(1)u2−av2=b.
  1. 射影圆锥
(2)C: X2−aY2−bZ2=0

有 F-点,即存在非零三元组 (X,Y,Z)∈F3 满足该式。

条件 2 也称约化范数二次型各向同性。它指一个非零向量取零,不是说二次型的矩阵退化;这里对角矩阵 diag(1,−a,−b,ab) 始终可逆。

若 a 不是 F 中的平方,K=F(a) 是二次域扩张,式 (1) 正是

NK/F(u+va)=b.

若 a=s2 已为平方,则 F(a)=F,不能仍把它叫二次域。本页直接求解式 (1),它此时总有解,例如

(3)u=b+12,v=b−12s.

从一个范数解生成完整同构 ​

给式 (1) 的解 (u,v),设

(4)I=(0a10),J=(u−avv−u).

则 I2=aI2、J2=bI2、JI=−IJ,并且

(5)Φ(t+xi+yj+zij)=tI2+xI+yJ+zIJ

是所求同构。它不仅给出正向公式,还给出任意矩阵的逆坐标。对

M=(AB0CD),t=A+D2,x=B0/a+C2,

令 d=(A−D)/2、e=(C−B0/a)/2,则

(6)y=ud−aveb,z=−vd+ueb.

使用 B0 表示矩阵位置,是为了不与代数 B 混淆。所有分母都已由 2ab≠0 保证可逆。

直觉

为什么范数方程恰好是矩阵的最后一个条件 ​

先把 i 放成式 (4) 的 I。若一个矩阵 J 与它反交换,把四个未知位置代入 JI=−IJ,就会得到

J=(u−avv−u).

乘一次便有 J2=(u2−av2)I2。所以要求 j2=b,恰好只剩式 (1)。这解释了为什么一个二变量方程能决定整张四维乘法表。

将式 (5) 展开,得到

(7)Φ(q)=(t+uy+avza(x−vy−uz)x+vy+uzt−uy−avz).

对角和给 t,非对角的适当和给 x,剩下的两式是

(uavvu)(yz)=(de).

系数行列式为 u2−av2=b≠0,解出式 (6)。因此 1,I,J,IJ 真正覆盖整个矩阵空间,没有只做出一个较小子代数。

从非零零范数反过来找到范数解 ​

先设 a 非平方。在 K=F(a) 中写

r=t+xa,s=y+za.

四元数的零范数条件变成 N(r)=bN(s)。若 s=0,则 N(r)=0;域中非零元素可逆,所以 r=0,这会使四元数本身为零,矛盾。因此 s≠0,可以使用简单扩张的精确运算计算 r/s,得到

(8)u=ty−axzy2−az2,v=xy−tzy2−az2,u2−av2=b.

分母非零依靠 a 非平方,不能未经检查就对任意零因子套公式。若 a 为平方,改用式 (3),根本不需要从这个零因子提取分母。

从零因子到原域矩阵同构
例子与边界

在有理数上完整分裂 (2,−1) ​

取 (u,v)=(1,1),因为 12−2⋅12=−1。于是

I=(0210),J=(1−21−1),IJ=(2−21−2).

依次核 I2=2I2、J2=−I2 和 JI=−IJ。零因子 q=1+i+j 被送到

Φ(q)=(2020),Φ(q¯)=(00−22).

两张矩阵都非零,两个方向的乘积都为零,图中对应秩一矩阵的消去。

再给一个没有按四元坐标生成的目标矩阵

M=(3456).

式 (6) 给出 t=9/2、x=7/2、d=−3/2、e=3/2,从而 y=9/2、z=−3。所以

Φ−1(M)=92+72i+92j−3ij.

代回式 (7) 恰恢复四个矩阵位置。其约化范数为 −2,与 det⁡M=18−20=−2 一致。这一步同时核同构方向和范数,不只检查生成元的平方。

有实点不等于已有有理分裂证书 ​

对于 (−1,−1)Q,式 (2) 是 X2+Y2+Z2=0。将有理数视为实数,三个非负项的和只能在全零时为零,因此没有射影有理点,代数不分裂。

这个例子甚至没有实点。但一般“在实数上有点”也不足以推出“在有理数上有点”。例如圆锥 X2−2Y2−3Z2=0 有实点,却没有非零有理点:若有,清分母并除公因子得到本原整数解。模 3 得 X2+Y2≡0,迫使 3∣X,Y;代回原式得 3∣Z,矛盾。因此 (2,3)Q 不分裂。这里是无限下降证书,不是有限搜索未命中。

无穷远点和平方参数 ​

若 a=s2,圆锥有点 [s:1:0]。其 Z=0,不能通过除以 Z 取得式 (1) 的解。但式 (3) 已给了另一个仿射点 [u:v:1]。

例如 a=1,b=3 时 [1:1:0] 与 (u,v)=(2,1) 都是有效数据。输入一个无穷远点而程序除以零,是证书转换漏了分支,不能据此宣称圆锥无点。

推论与应用

等价链为什么没有遗漏 ​

已有范数解时,式 (4)–(6) 构造矩阵同构,所以 3 推出 1。又有非零四元数 u+vi+j 的范数为零,所以 3 推出 2。反向 2 推出 3 已由式 (8) 和平方参数分支证明。

若 1 成立,将非零奇异矩阵 E11 取回到 B。它不可逆,而四元数可逆性恰由约化范数控制,所以得到条件 2。由此前三项等价;特别地,每个四元数代数不是除代数,就是整个 M2(F),没有中间的第三种情况。

条件 3 给出式 (2) 的点 [u:v:1]。反过来,若 a 非平方,圆锥点不能有 Z=0,否则 X2=aY2 会给一个平方根或全零点。因此除以 Z 得式 (1)。若 a 为平方,仍用式 (3)。这完成与条件 4 的等价。

还可从一个已知同构直接抽出式 (1):在非平方分支,i 的像 I′ 不可能有 F 中的特征向量。任取 w≠0,(w,I′w) 都为一组基,I′ 在该基中就是式 (4) 的 I;j 的像随后只能是上述反交换形状。这个过程说明范数解并非随意添加的充分条件,而是每份分裂同构中都有的数据。

找第一个点与列出全部点应分开 ​

式 (2) 的矩阵行列式为 ab≠0,所以它是非退化圆锥。一旦已有一个 F-点,圆锥的有理参数化可以给全部 F-点及逆参数,再把 Z≠0 的点转换成全部范数解。

但本页没有给任意域上的统一“搜到第一个点”算法。对有理数列举分子分母,只在确有解时可能最终找到;无解时一直不终止。上面的模 3 下降与实正性可以证明特定输入无解,不能冒充所有有理圆锥的全局判定程序。

奇数有限域上的范数解一定存在 ​

若 F=Fq、q 为奇数,平方集合 S={u2:u∈F} 有 (q+1)/2 个元素:非零平方的两个原像是 u,−u,再加零。集合 T={b+av2:v∈F} 也有同样大小。两者大小之和为 q+1>q,故必相交;交点恰给出 u2−av2=b。因此此时每个非零参数四元数代数都分裂。有限枚举可以找到具体解,存在性却已由这个计数论证保证。

给定有效证书后,转换和乘回只需固定数量的域运算。验收应分别检查参数合同、范数等式、生成元关系、四维可逆坐标和输入输出往返。把 b 换了却沿用旧 (u,v),或者只检查 I2 而忘了 JI=−IJ,都必须拒绝。

参考资料
  • John Voight,Quaternion Algebras,Chapter 5,§5.4,Main Theorem 5.4.4:分裂、零范数与二次范数方程等价;§5.5:圆锥视角。本文给出另一套直接可逆矩阵公式,并逐式证明所有证据转换。
  • John Voight,作者维护的开放版本,稳定版 v1.0.5,2024-01-10,§5.4:区分二次域 F(a) 与平方参数时的分裂二次代数。本文始终按两分支分别处理。
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