Какво трябва да знаем?
Алгебра на Клифорд ςn
Станчо Вълканов Павлов
На, вземи сърцето ми! Терзай!
На, вземи живот, стремеж и младост;
но донес ми вино и ми дай
мрачната забрава да не страдам.
Николай Хрелков 1894 - 1950 г.
|
Въведение
Нека Vn е векторно пространство над полето на реалните числа R с базис
e1, e2, e3, …, en .
Разглеждаме произведения на базисните вектори от вида
ei1
ei2
ei3 …
eik , като индексите са различни и са в строго нарастваш ред.
Тези произведения се наричат геометрични и се означават без точки между множителите.
Максималният брой на индексите в тези произведения е n.
Геометричното произведение
ae1e2e3 … en ,
където a е реално число се нарича псевдокалар.
Представката "псевдо" има старогръцки произход и означава "лъже" , така, че спокойно,
псевдоскаларите можем да ги наричаме "лъжескалари".
Елементите на алгебрата на Клифорд ςn са суми от вида
За индексите ij се поставя условие да бъдат в строго нарастваш ред:
Ще напиша вида на елементите на алгебрите
ς1 ,
ς2
и
ς3 .
?
В алгебрата на Клифорд по естествен начин се въвеждат събиране и умножение по число.
Тези две операции превръщат ςn във векторно пространство.
В тази алгебра, разглеждана само като векторно пространство (без умножаването на нейните елементи ), се
образуват следните подпространства:
{a0}- пространство на нула-векторите, или на числата, или на скаларите.
То е с размерност 1 и базис {1}.
- пространство на едно-векторите или просто векторите с размерност n и базис
Елементите на подпространството на едно-векторите ще наричаме просто вектори.
За да се отличат от останалите елементи на алгебрата се означават с почернени латински букви.
- пространство на дву-векторите или бивекторите с размерност
и базис
пространство на три-векторите с размерност
и базис
и т.н. до пространството на псевдоскаларите - с базис геометричното произведение на всички базисни вектори
, което е с размерност 1, както и скаларите.
Размерността на
ςn е равна на 2n .
?
Умножението в алгебрата на Клифорд ςn
Както във всяка алгебра и в тази се въвежда произведение, което се нарича геометрично и се означава без точка
между множителите, както вече беше писано.
Геометричното произведение на елементите на ςn
се извършва по сложен начин, чрез две помощни произведения означавани със
символите "." и "^" – точка и колибка.
Тези произведения ще наричаме съответно "вътрешно" и външно или "точково" и "колибково".
Ако множителите са вектори те се дефинират чрез геометричното произведение от равенствата:
От тук нататък, за да отличим векторите или по-точно едновекторите от останалите елементи на алгебрата ще ги означаваме с почернини,
латински букви.
Така че a и b за нас са вектори а a и b не са.
Да препишем отново дефиниращите равенства на точковото и колибковото произведение, подчертавайки че те се отнасят само
за вектори:
Тези равенства нямат пряка връзка със скаларното и векторното произведение, защото могат да се извършват не
само върху вектори, но и върху произволни елементи от алгебрата на Клифорд, но за това по-нататък.
Геометричното произведение за вектори се дефинира чрез тях:
Точковото умножение, приложено за вектори е симетрично, а колибковото-антисиметрично:
Важно наблюдение е и че за всеки вектор точковия квадрат е равен на геометричния и за тях се използва обичайното
означение a на квадрат:
За геометричното произведение изискваме свойствата, описани в определението на алгебра.
От тях следват разпределителните закони за точково и колибково произведение но не и съдружителния закон:
Преобразувайки основните тъждества, получаваме начин за смяна на реда при геометричното произведение:
Тъждествата
ще наричаме комутиращи.
Как се използват?
Ако са известени квадрата a2 и скаларното произведение а
трябва да преобразуваме геометричното произведението aba подреждайки множителите получаваме:
aba = (ab)a = (2(a.b) - ba)a =
2(a.b)a-ba2 .
За да започнем отнякъде трябва да приемем, че точковите произведения са зададени поне за векторите.
Да приемем, че във веторното пространство
Vn е определен ортогонален базис –
.
Да определим точковото произведение да съвпада със скаларното:
.
Тогава, за всеки два базисни вектора, за геометричното произведение, е изпълнено
ij = -ji и i2=1.
Така дефинираното точково произвединие ни дава възможност да напишем таблицата на геометричното умножение в алгебрата
ς3 ,
като означим базисните вектори с по привичните означения
i ,
j и k, както вече го направихме.
Тогава за всеки два базисни вектора, за геометричното произведение, е изпълнено:
ij = -ji и i2 = 1.
Дефиницията на точковото произвединие ни дава възможност да напишем таблицата на геометричното умножение в
алгебрата ς3 като използваме означенията
i , j и k
за базисните вектори.
?
ς1 - числа
Елементите от тези алгебри са от вида a+be,
където e е единствения базисен вектор, който по традиция,
идваща от комплексните числа, ще означаваме с i .
Определяйки геометричното произведение ii,
ще получим определена алгебра от семейството
алгебри ς1.
Подробно са разгледани случаите
i2 = -1,
i2 = 1 и
i2 = 0,
като новите числа се наричат съответно комплексни, двойни и дуални.
Съответните произведения са асоциативни и комутативни.
Ще разгледаме по-подробно двойните числа, свързани с хиперболичната геометрия.
Те са от вида a+bi , като произведението се извършва с помощта на равенството i2=1.
При двойните числа съществуват делители на нулата:
(a+ai) (a-ai) = 0.
Спрегнатото, модулът и нормата на двойното число α се дефинират с равенствата:
Нормата е реално чило, и то е пложително за областта, означена с I
, която се нарича първи квадрант в хиперболичната геометрия.
При двойните числа, както и при комплексните се въвежда експоненциална форма:
За тези, двойни числа е разработен геометрия и даже анализ. Геометрията се нарича хиперболична.
При нея ролята на синуса и косинуса се играе от хиперболичните синус и косинус.
В сила е формула, подобна на тригонометричната форма на комплексните числа:
,
където аргумента r е решение на уравнението:
.
В сила са и формули, подобни на тези на Моавър:
.
Преобразованията на Лоренц имат вида:
,
където t е времето, x е координатата а c – скоростта на светлината.
Въвеждайки означанията
преобразованията придобиват вида:
.
Двойното число
има модул единица и може да се представи в експоненциалния вид:
Тогава
е преобразование, което може да се нарече хиперболична ротация, по подобие на това, че преобразованието
z = zeiφ осъществява завъртане на ъгъл φ
при комплексните числа.
ς2 или геометрията и алгебра в равнината
Точково, колибково и други произведения произведение в
ς2
Елементите от тези алгебри са от вида
a + be1 + be2 + be1e2 ,
където e1 и e2 са базисните вектори, които ще означаваме с
i и j .
Определяме точковото (вътрешно ) произведение на базисните вектори както скаларното.
Геометричното произведение ij ще означаваме с I.
Тогава, за антикомутативното, колибково (външно ) произведение получаваме :
i^j =
ij - i.j = I - 0 = I.
При геометричното произведение перпендикулярните вектори i и j антикомутират т.е.
ij = - ji.
И изобщо ако векторите a и b са перпендикулярни то ab = -ba,
както ще се убедим по-нататък.
I е бивектор и е неправилно да се отъждествява с вектора k, перпендикулярен на
i и j.
Ако a и b са вектори то a^b се свързва с ориентираната равнина,
определена от a и b:
Изобщо, за точковото и колибковото произведение за вектори са изпълнени свойствата:
Ето я важната таблица за геометричното произведение на числата от ς2:
|
1 |
i |
j |
I |
1 |
1 |
i |
j |
I |
i |
i |
1 |
I |
j |
j |
j |
-I |
1 |
-i |
I |
I |
-j |
i |
-1 |
Ако v е вектор то при геометричното произведение той противо се размества с I : vI = -Iv .
?
Ако v е ненулев вектор, то той е обратим спрямо геометричното произведение.
Обратният му е v-1 = v / v2 .
Два вектора от ς2
се наричат перпендикуларни ако тяхното точково (вътрешно) произведение е нула.
За два перпедикулярни вектора a и b е изпълнено
противоразместителното (антикомутативно) свойство:
ab = -ba .
?
Ако p е едно от числата (1 ± i)/2 или (1 ± j)/2
то p е идемпотентен елемент: p2 = p.
Ако q е едно от числата (i ± I)/2 или
( j ± I)/2 то q е нилпотентен елемент: q2 = 0.
?
Тази част от елемент α на ς2 ,
която не съдържа скалара ще наричаме безскаларна част и ще я означаваме с α, заградено във ъглови скоби,
снабдени с долен десен индекс 0 с чертичка отгоре.
С α, с чертичка отгоре, ще означаваме елемента, който има същата скаларна част на α и противоположна безскаларна част.
Този елемент ще наричаме спрегнат на α.
Произведението на два спрегнати елемента е с нулева безскаларна част.
?
С α , заградено във ъглови скоби, снабдени с долен десен индекс k
се означава проекцията на α върху пространството от k - векторите.
Определенията за точковото и колибковото произведение, въведени преди само за вектори, се разширяват и за вектор и k-вектор.
Ако Ak е k-вектор и v е 1-вектор то
Забележете, че и в двете дефиниции векторите се появяват като ляв множител!
Докато точковото умножение с вектор намалява кратността на другия множител с единица, то колибковото я увеличава също с толкова.
По-нататък, ако Бог даде, ще разгледам и други свойства на вече въведените произведения и на тези,
които ще въведем впоследствие.
Но засега - "Колкото по-малко – толкова по-малко."
Ще умножа произволен базисен вектор по произволен базисен елемент на алгебрата и точково и колибково.
?
Ще докажа тъждеството
a.(b^c) = (a.b)c - (a.c)b
като ще обясня отделните стъпки в таблица.
В първата графа ще напиша резултата от поредното преобразование, във средната словесно ше опиша
следващото преобразование и неговата цел а в третата – използваното тъждество.
?
За k и l - векторите са въведени са още две произведения, обобщаващи точковото произведение.
Означават се с вертикална и долна хоризонтална черта, като двете образуват ъгълче.
То е насочено към вектора или по-общо - s-вектора от по-ниска кратност.
.
Ще ги нарека съответно ляво и дясно обощено точково (скаларно или вътрешно) произведение.
Поради трудността при изобразяването ще ги означачавам, понякога, и със смесени - кръгла и квадратна скоба,
като кръглата е от страната на множителя от по-малка кратност.
Ако последният, от страната на кръглата скоба, е от по-голяма кратност от другия множител,
се приема че обощеното скаларно произведение е равно на нула.
Например (i, I] е равно на 1-проекцията
( разликата между кратностите на втория и първия множител ) на геометричното произведение iI:
(i, I ] = < iI > 1 = j.
Ще направя таблици за лявото и дясно обощени скаларни произведения за числата от
ς2 :
?
Друга единична (унарна) операция е променящата реда на множителите в базисните k-вектори.
Тази операция ще я наричаме обръщане и се означава с вълничка над обобщеното число от алгебрата или горе вдясно от нея:
Отделянето на скалара в геометричното произведение е важна двойна (бинарна) операция,
която се означава със зведичка между обобщените числа.
Числото α*α~ е реално, положително число.
?
Неговият квадратен корен се нарича норма на α и се означава с ||α||.
Влагането на комплексните числа в ς2
ς2
съдържа подмножество, изоморфно на на комплексните числа – елементите от вида
a+bI, където a и b са реални числа а I е
лъжескалара I=ij.
По нататък няма да правим разлика между комплексните числа и числата a+bI от
ς2 .
Ако на 1-вектора ai+bj съпоставим е числото
i(ai+bj) получаваме изображение от множеството на векторите в множеството на
комплексните числа от
ς2 .
Обратното преобразование на описаното се получава с повторно умножение на i :
i(a+bI) = ai+bj .
За всеки 1-вектор z от
ς2
е вярно свойството:
zeIφ = e-Iφz
?
Експонциална форма на числата от ς2
Вече беше показано как се определя тригонометричната форма на двойните числа:
.
В сила е и представянето
, което е подобно на това при комплексните числа.
Геометрични преобразования в равнината, изразени чрез числата от
ς2
Ще представим образа на вектор при осева симетрия спрямо права, минаваща през центъра, чрез въведените операции в
алгебрата на Клифорд.
Нека единиченият вектор n е перпендикулярен на оста на симетрия и е насочен към вектора v.
Тогава симетричният вектор на v - векторът v' е равен на минус nvn:
v'= -nvn.
?
Векторът v' - симетричен на v спрямо права, перпендикулярна на единичения вектор
n, насочен към v ще означаваме с Sn(v) .
Показахме, че Sn(v) = -nvn .
Ще докажа, че ако приложа два пъти симетрия на вектор спрямо една права ще получа същия вектор:
S-n (Sn(v)) = v.
?
Две последователни отражения спрямо перпендикулярни прави преобразуват вектор в неговия
противоположен:
Sm (Sn(v)) = -v .
?
Ще изразим ротация на ъгъл φ спрямо центъра.
Ще я представим като произведение от две симетрии спрямо прави, сключващи ъгъл φ/2.
Нека n и m са единични вектори, перпендикулярни на тези прави.
В сила е равенството: Rφ(v) = mnvnm.
?
Числата от ς2 , представени като матрици
Числата от алгебрата ς2 могат да се представят чрез матрици:
?
Приложение на алгебрата ς2 в небесната механика
Позицията на небесно тяло спрямо Земята ще представим като 1-вектор x .
Нека U е комплексно число от същата алгебра – число от вида U = a+bI.
Нека още x = U2i.
Дължината на вектора x е произведението на U и неговото комплексно спрегнато.
Тя е равна на a2+b2 :
.
Комплексното число U ще считаме че е функция на времето t .
Диференцираме първото равенство, като производната спрямо t ще я означаваме с точка:
Умножаваме отляво на спрегнатото на U като се възползваме от равенството
Умножаваме двете страни отляво с i:
.
Сега сменяме променливата t със s.
s е променлива, за която е изпълнено ds/dt = 1/r .
Производната спрямо s ще я означаваме с щрих.
Съкращаването на r отляво е голямо предимство, както ще се убедим по-нататък.
После, диференцираме спрямо s като използваме отново правилото за диференциране на сложна функция:
.
Понеже r е скалар то комутира с векторите в геометричните произведения.
Получаваме :
За първото събираемо използваме втория закон на Нютон:
а за второто - вече полученото равенство:
,
за да получим:
.
Опростяваме първото събираемо като използваме :
То придобива вида:
.
Опростяваме и второто събираемо :
.
Получаваме равенството
Изразът в скобите е сума от потенциалната и кинетична енергии.
Тази енергия ще означим с E.
Тя може да бъде положителна и отрицателна.
Движението е ограничено когато енергията Е е отрицателна .
Означавайки частното E/2m с -ω 2 получаваме:
Това е едно лесно решимо диференциално уравнение.
Решението му е:
,
като за A и B ще предполагаме че са реални числа.
Ще изразим r като функция на s и със това ще приключим:
.
Какво ще научим:
Край
Алгебра на Клифорд ςn -
отговори, доказателства, връзки и литература
Какво трябва да знаем?
Назад
Вида на елементите на алгебрите
ς1 ,
ς2
и
ς3
Назад
Размерността на
ςn е равна на 2n .
Назад
Таблицата на геометричното умножение в алгебрата ς3
Геом. пр. |
1 |
i |
j |
k |
ij |
jk |
ki |
ijk |
1 |
1 |
i |
j |
k |
ij |
jk |
ki |
ijk |
i |
i |
1 |
ij |
-ki |
j |
ijk |
-k |
jk |
j |
j |
-ij |
1 |
jk |
-i |
k |
ijk |
ki |
k |
k |
ki |
-jk |
1 |
ijk |
-j |
i |
ij |
ij |
ij |
-j |
i |
ijk |
-1 |
-ki |
jk |
-k |
jk |
jk |
ijk |
-k |
j |
ki |
-1 |
-ij |
-i |
ki |
ki |
k |
ijk |
-i |
-jk |
ij |
-1 |
-j |
ijk |
ijk |
-jk |
-ki |
ij |
-k |
-i |
-j |
-1 |
В зелено са първите множители а в червено - вторите.
Назад
Ако v е вектор то при геометричното произведение той противо се размества с I : vI = -Iv .
Назад
За два перпедикулярни вектора a и b е изпълнено
противоразместителното (антикомутативно) свойство: ab = -ba .
Назад
Ако p е едно от числата (1 ± i)/2 или (1 ± j)/2
то p е идемпотентен елемент: p2 = p.
Ако q е едно от числата (i ± I)/2 или
( j ± I)/2 то q е нилпотентен елемент: q2 = 0.
?
И другите случаи се разглеждат подобно на този.
Сега за q:
Назад
Ако два елемента имат равни скаларни части и противоположни безскаларни то тяхното геометрично произведение е
с нулева безскаларна част.
Назад
Произведенията на произволен базисен вектор по произволен базисен елемент на алгебрата - и точково и колибково.
Назад
Ще докажа тъждеството
a.(b^c) = (a.b)c - (a.c)b
като ще обясня отделните стъпки в таблица.
В първата графа ще напиша резултата от поредното преобразование, във средната словесно ше опиша
следващото преобразование и неговата цел а в третата – използваното тъждество.
a.(b^c) |
Преобразувам външното произведение в геометрично,
защото желая да изразя целия израз като сума от геометрични произведения. |
a^b=(ab-ba)/2 |
|
Разкривам скобите, използвайки разпределителното свойство. |
a.(A+B) = a.A + a.B |
|
Преобразувам вътрешните произведения в геометрични. |
|
|
Използвам противокомутиращите тъждества с цел да преместя векторите b и c най-вдясно. |
ab+ba=2a.b |
|
Подреждам, групирам и изнасям b и c извън скоби. |
Ac+Bc=(A+B)c |
|
Използвам дефиницията на вътрешно произведение за вектори. |
ab + ba =2a.b |
|
Подреждам, групирам и съкращавам на четири. |
|
(a.b)c - (a.c)b |
| |
Назад
Таблици за лявото и дясно обощени скаларни произведения за числата от
ς2
( , ] |
1 |
i |
j |
I |
1 |
1 |
i |
j |
I |
i |
0 |
1 |
0 |
j |
j |
0 |
0 |
1 |
-i |
I |
0 |
0 |
0 |
-1 |
| | |
[ , ) |
1 |
i |
j |
I |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
i |
i |
1 |
0 |
0 |
j |
j |
0 |
1 |
0 |
I |
I |
-j |
i |
-1 |
|
Назад
Важна операция е променящата реда на множителите в базисните k-вектори.
Тази операция ще я наричаме обръщане и ще я означаваме с вълничка над обобщеното число от алгебрата или горе вдясно от нея:
Отделянето на скалара в геометричното произведение е важна двойна (бинарна) операция,
която се означава със звездичка между множителите.
Числото α*α~ е реално, положително число.
Поради противоразместителното свойство при геометричното произведение на вектор с I
получаваме Iv = -vI.
Освен това I2 е равно на -1.
Тогава:
Назад
За всеки 1-вектор z от
ς2
е вярно свойството:
zeIφ = e-Iφz
Да положим eIφ = c+Is.
c и s са избрани за да напамнят синус и косинус.
Тогава e-Iφ = c-Is.
Назад
Ще представим образа на вектор при осева симетрия спрямо права, минаваща през центъра, чрез въведените операции в
алгебрата на Клифорд.
Нека единиченият вектор n е перпендикулярен на оста на симетрия и е насочен към вектора v.
Тогава симетричният вектор на v - векторът v' е равен на минус nv'n:
v'= -nv'n.
Разлагаме вектора v на две съставляващи - едната от които е успоредна на n а другата –
перпендикулярна на него.
Успоредната изразяваме чрез скаларното произведение а другата е това, което остане:
Векторът v' има същата перпендикулярна съставляваща и противоположна - успоредна на n .
Изразяваме скаларното произведение n.v от дефиницията и използваме това, че векторът n е единичен.
Назад
Ако приложа два пъти симетрия на вектор спрямо една права ще получа същия вектор:
S-n (Sn(v)) = v.
Назад
Две последователни отражения спрямо перпендикулярни прави преобразуват вектор в неговия противоположен:
Sm (Sn(v)) = -v .
Назад
Ще изразим ротация на ъгъл φ спрямо центъра,
като я представим като произведение от две симетрии спрямо прави, сключващи ъгъл φ/2.
Нека n и m са единични вектори, перпендикулярни на тези прави.
В сила е равенството: Rφ(v) = mnvnm.
Подобно се показва, че
.
Тогава:
Назад
Числата от алгебрата ς2 могат да се представят чрез матрици:
Назад
Литература
C:\Stancho\books\Math\Algebra\Clifford_Algebra\Cembridge\hout01.pdf
C:\Stancho\books\Math\Algebra\Clifford_Algebra\Cembridge\GeometricAlgebraCourseMateriasl\hout01.pdf, examples1.pdf, examples1_answers.pdf
C:\Stancho\books\Math\Algebra\Clifford_Algebra\Cembridge\GeometricAlgebraLectures\lect01.pdf
C:\Stancho\books\Math\Algebra\Clifford_Algebra\Cembridge\GeometricAlgebraLectures\lect02.pdf
Антони Ласенби и Крис Доран.
Приложения на геометричната алгебра във физиката
PHYSICAL APPLICATIONS OF GEOMETRIC ALGEBRA Anthony Lasenby and Chris Doran
Давыдов Анатолий Васильевич, ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ, ТЕМАТИЧЕСКИЕ ЛЕКЦИИ
Тема 8. Z-преобразование сигналов и системных функций.
http://geoin.org/dsp/ davpro@yandex.ru
C:\Stancho\books\Math\AppliedMath\Math For Engineers\dsp
В къщи, долу, вдясно C:\Stancho\books\Math\Algebra\Ru\Cliford\9808_121.pdf
СИСТЕМЫ ЧИСЕЛ
В.В. Сильвестров
Чувашски държавен университет "И. Н. Ульянов"
mp689.pdf
Д. Д. Ивлев, О двойных числах и их функциях,
Матем. просв., 1961, выпуск 6, 197–203
В къщи, долу, вдясно C:\Stancho\books\Math\Algebra\Clifford_Algebra\1306.1660v1.pdf
Екхард Хитцер Въведение в геометричната алгебра на Клифорд 2011
В.В. Сильвестров, СИСТЕМЫ ЧИСЕЛ, Чувашски държавен университет "И. Н. Ульянов"
В.Д. Д. Ивлев, О двойных числах и их функциях, Матем. просв., 1961, выпуск 6, 197–203
Екхард Хитцер Въведение в геометричната алгебра на Клифорд 2011
Назад