Hurwitzquaternion
Eine Hurwitzquaternion (oder Hurwitz-Ganzzahl), benannt nach Adolf Hurwitz, ist eine Quaternion, deren vier Koeffizienten entweder alle (rational-)ganzzahlig oder alle halbzahlig (Hälften ungerader ganzer Zahlen) sind – Mischungen von Ganzzahlen und Halbzahlen sind also unzulässig. Die Menge aller Hurwitzquaternionen ist
- .
Sie bildet in ihrem Quotientenkörper, dem Divisionsring (Schiefkörper) der Quaternionen mit rationalen Koeffizienten
- ,
eine maximale -Ordnung. ist der kleinste Unterkörper des Quaternionenschiefkörpers mit nicht-kommutativer Multiplikation. Andererseits ist seine Vervollständigung (Komplettierung) für die Betrags-Metrik gerade wieder .
Eine Lipschitzquaternion (oder Lipschitz-Ganzzahl), benannt nach Rudolf Lipschitz, ist eine Quaternion, deren Koeffizienten alle ganzzahlig sind. Die Menge aller Lipschitzquaternionen
ist ein (nicht-kommutativer) Unterring von (aber kein Ideal!). und haben denselben Quotientenkörper .
Im Unterschied zu ist maximal als Ganzheitsring und zusätzlich ein euklidischer Ring, d. h., kennt eine Division mit kleinem Rest und einen euklidischen Algorithmus.
Der Artikel behandelt die wichtigsten algebraischen Eigenschaften inklusive Symmetrien von und deren geometrische Auswirkungen. Ferner lässt sich exemplarisch verfolgen, inwieweit Begriffe, die man von den kommutativen Ringen her kennt und die häufig nur dort definiert werden, fürs nicht-kommutative Umfeld angepasst werden können.
Erbschaften
Der Schiefkörper „erbt“ die , , und alle einschlägigen Rechenregeln von , den Quaternionen mit reellen Koeffizienten. Bezüglich der Definitionen wird auf den entsprechenden Artikel verwiesen.
ist ein 4-dimensionaler Vektorraum über seinem Skalarkörper , wie es über ist. Vom Vektorraum gewinnt man die Addition und die Skalarmultiplikation , bei der der Skalar die Quaternion komponentenweise multipliziert. Diese Multiplikation stimmt in ihrem Definitionsbereich mit der Quaternionen-Multiplikation überein, da als in die Quaternionen eingebettet wird, und sie ist kommutativ.
In diesem Artikel wird die (volle) Quaternionen-Multiplikation mit dem Mittepunkt und die Skalarmultiplikation durch einfache Juxtaposition notiert, ferner werden die Quaternionen mit griechischen und die Skalare mit lateinischen Buchstaben geschrieben.
Zur Erläuterung der Auswirkungen der Erbschaften auf das Thema des Artikels seien und beliebige Quaternionen (mit rationalen oder ggf. reellen Koeffizienten).
- Das Skalarprodukt , definiert durch
- ,
ist eine positiv definite symmetrische Bilinearform. Wir haben die Bilder
und
und die Bilder
- .
- Die Konjugation wirft nach
- .
- Die Norm, gegeben durch
- Die positive Definitheit des Skalarprodukts bedeutet für . Daraus folgt die Existenz des Inversen
- für ,
Gruppeneigenschaften
Folgende Notationen seien in diesem Artikel durchgehalten.
- Die Menge
ist wegen der Multiplikativität der Norm additiv und multiplikativ abgeschlossen und Untermenge von , da alle mit eine ungerade Norm haben. Ferner ist für und sowohl
- als auch .
- sei eine Kurzschreibweise für die Nebenklasse .
- Die Quaternion
- Die Menge
Lipschitz-Gitter
Die additive Gruppe wird erzeugt von und bildet ein Gitter im , bekannt als das Gitter I4.[2]
ist ein Untergitter vom Index 2 von . Es ergeben sich die Partitionen
- .
Hurwitz-Gitter
Als additive Gruppe ist frei abelsch mit den Erzeugenden . bildet ebenfalls ein Gitter im , bekannt als das Gitter F4[3].
ist ein Untergitter vom Index 2 von und es ergeben sich die Partitionen
(siehe unten stehendes Diagramm). Damit ist ein vollständiges Repräsentantensystem von .
Die Elemente der Nebenklassen haben gerade, die von ungerade „Quersumme“ .
Lipschitz-Halbgruppe
Es ist klar, dass das Produkt zweier Lipschitz-Zahlen mit ganzzahligen Koeffizienten wieder ganzzahlige Koeffizienten hat. Somit ist die Menge eine Halbgruppe unter der Quaternionen-Multiplikation .
Lipschitz-Einheiten
Die Einheitengruppe in ist die nicht-abelsche Quaternionengruppe
von der Ordnung 8 mit dem Zentrum . Erzeugende von Q8 sind z. B. und mit den Gleichungen
- , und .
Hurwitz-Halbgruppe
Der Beweis der multiplikativen Abgeschlossenheit von gelingt ohne große Rechnerei durch Zusammensetzen aus den 4 Nebenklassen.[Anm 1]
Fazit: Die Mengen und sind abgeschlossen unter der Addition und der Multiplikation , so dass sie (nicht-kommutative) Unterringe in ihrer beider Quotientenkörper bilden, und ist ein Ideal in beiden Ringen (siehe auch den Abschnitt Ideale).
Hurwitz-Einheiten
Die Einheitengruppe in , auch Gruppe der Hurwitzeinheiten genannt, ist die nicht-abelsche Gruppe
der Ordnung 24, die aus den 8 Elementen der Gruppe Q8 und den 16 Quaternionen besteht, bei denen die Vorzeichen in jeder Kombination zu nehmen sind: den Hurwitzeinheiten im engeren Sinn. ist isomorph zur binären Tetraedergruppe 2T, einer zentralen Gruppenerweiterung der Tetraedergruppe T = A4 von der Ordnung 12 mit einer zyklischen Gruppe der Ordnung 2. Ihr Zentrum ist ebenfalls und die Faktorgruppe ist isomorph zu A4.
Q8 ist Normalteiler vom Index 3 von , und ist Untergruppe von mit und ; also ist das semidirekte Produkt .[Anm 2]
Erzeugende von sind z. B.
- und
mit den Gleichungen
- ,
wobei .
Geometrische Eigenschaften
Regulärer 16-Zeller (Hexadekachor)
Die Elemente der Gruppe Q8 haben alle die Norm 1 und bilden die Ecken des Kreuzpolytops der vierten Dimension, des regulären sogenannten 16-Zellers, auch Hexadekachōr(on) (das, englisch hexadecachoron, von griechisch ἑξαδεκάχωρον aus hexa ‚sechs‘ und deka ‚zehn‘ und chōros ‚Raum‘) genannt. Er ist eingeschrieben in die Einheits-3-Sphäre, die selbst wieder eine Gruppe ist, nämlich die Lie-Gruppe SU(2). Sein Rand besteht aus 16 Tetraedern mit den Eckenmengen , wobei jede der 16 Vorzeichenkombinationen für ein Tetraeder steht. Die Mittelpunkte dieser Tetraeder sind gerade die Hälften der Hurwitzeinheiten im engeren Sinn.
Der 16-Zeller ist zum 8-Zeller dual, gehört zu den 6 regulären konvexen 4-Polytopen (Polychora im ), hat Schläfli-Symbol {3,3,4} und ist berandet von 16 (regulären) Tetraeder-Zellen, 32 (regulären) Dreiecksflächen, 24 Kanten und 8 Ecken. Sein 4-Volumen ist bei einer Kantenlänge von und einem Umkreisradius von 1.
Regulärer 8-Zeller (Tesserakt)
Die restlichen 16 Elemente , d. s. die Hurwitzeinheiten im engeren Sinn, haben ebenfalls die Norm 1 und bilden die Ecken des Hyperwürfels (Maßpolytops) der vierten Dimension, des regulären sogenannten 8-Zellers, auch Tesserakt genannt. Er ist berandet durch 8 Würfel, einer davon hat bspw. die 8 Ecken und als Mittelpunkt. Die Mittelpunkte der Würfel sind .
Der 8-Zeller ist zum 16-Zeller dual, gehört zu den 6 regulären konvexen 4-Polytopen, hat Schläfli-Symbol {4,3,3} und ist berandet von 8 Zellen (den Würfeln), 24 Quadraten, 32 Kanten und 16 Ecken. Sein 4-Volumen ist 1 bei einer Kantenlänge und einem Umkreisradius von 1.
Regulärer 24-Zeller (Ikositetrachor)
Die Elemente der Gruppe haben alle die Norm 1 und bilden die Ecken des sogenannten 24-Zellers, auch Ikositetrachōr(on) (das, englisch icositetrachoron, von griechisch εἰκοσιτετράχωρον aus eikosi ‚zwanzig‘ und tetra, Präfixform von τέτταρα, ‚vier‘ und chōros ‚Raum‘), eingeschrieben in die Einheits-3-Sphäre. Die 6 Quaternionen markieren die Ecken eines regulären Oktaeders mit dem Mittelpunkt auf dem Rand dieses 24-Zellers, welches bei (linker wie rechter) Multiplikation mit einem Element in ein anderes Oktaeder (auf dem Rand) übergeht. Somit besteht der Rand des 24-Zellers aus 24 (regulären) Oktaeder-Zellen, von denen sich 6 an jeder Ecke und 3 an jeder Kante treffen. Der 24-Zeller gehört zu den 6 regulären konvexen 4-Polytopen, hat 24 Zellen (die Oktaeder), 96 Dreiecksflächen, 96 Kanten und 24 Ecken. Das 4-Volumen ist 2 bei einer Kantenlänge und einem Umkreisradius von 1.
Der 24-Zeller hat Schläfli-Symbol {3,4,3}, ist das einzige selbst-duale reguläre euklidische Polytop, das nicht Simplex oder Polygon ist, und hat insoweit keine Entsprechung in anderen Dimensionen.[Anm 3]
Parkettierung und Sphärenpackung
Zu jedem der 3 oben genannten regulären 4-Polytope gibt es eine reguläre und lückenlose Parkettierung – und diese sind die einzigen – des 4-dimensionalen euklidischen Raums.
Parkettierung mit dem 8-Zeller
Eine Parkettierung des mit dem Tesserakt lässt sich so einrichten, dass die Mittelpunkte der Tesserakte, der Maschen, genau auf die Lipschitzquaternionen fallen. Das gelingt mit dem oben erwähnten Tesserakt, genauer: dem 4-dimensionalen und für die Disjunktheit der Maschen rechtsoffenen Intervall als der Grundmasche.
Diese Parkettierung mit dem 8-Zeller sei als die Lipschitz-Parkettierung bezeichnet. Sie hat Schläfli-Symbol {4,3,3,4} und ist zu sich selbst dual, d. h., die Mittelpunkte der einen Parkettierung sind die Ecken der dualen und umgekehrt. Das 4-Volumen der Maschen ist 1 bei einer Kantenlänge und einem Umkreisradius von 1.[Anm 4]
Parkettierung mit dem 24-Zeller
Eine Parkettierung des mit dem 24-Zeller lässt sich so einrichten, dass die Mittelpunkte der 24-Zeller genau auf die Hurwitzquaternionen fallen. Die Grundmasche ist der 24-Zeller mit dem Mittelpunkt und den 24 Ecken der Art .[Anm 5]
Diese Parkettierung mit dem 24-Zeller sei als die Hurwitz-Parkettierung bezeichnet. Ihr Schläfli-Symbol ist {3,4,3,3}. Das 4-Volumen der Maschen ist bei einer Kantenlänge und einem Umkreisradius von .[Anm 6]
Parkettierung mit dem 16-Zeller
Es gibt eine Parkettierung mit dem 16-Zeller, die dual ist zur Parkettierung mit dem 24-Zeller, – Schläfli-Symbol also {3,3,4,3}. Das 4-Volumen ihrer Maschen ist bei einer Kantenlänge von 1 und einem Umkreisradius von .[Anm 7]
Sphärenpackung
Im Zusammenhang mit diesen letzteren 2 Parkettierungen steht eine maximale (bewiesen für Gitter-Packungen, nicht aber für Nicht-Gitter-Packungen[4]) Packungsdichte von 4-Kugeln (3-Sphären) von auf dem Hurwitz-Gitter F4 im . Diese Sphärenpackung kommt auf eine Kusszahl von 24 (als obere Grenze – auch unter Nicht-Gitter-Packungen – bewiesen[5]).[Anm 8]
Maschenradius
Für die Division mit Rest weiter unten benötigen wir die Gitterweite eines Gitters und definieren sie als die größte vorkommende Entfernung
eines Punktes zu einem Gitterpunkt , der ihm am nächsten liegt, d. h.
Das Gitter hat den Maschenradius .[Anm 10]
Pseudocode für die Approximation einer Quaternion durch eine Lipschitz-Ganzzahl :
beliebige Quaternion | |
alle 4 Komponenten | |
Rundung zur nächsten Ganzzahl per und Gaußklammer | |
Damit ist in der Masche mit Mittelpunkt , genauer: (rechtsoffenes 4-dimensionales Intervall).[Anm 11]
Das Gitter hat den Maschenradius .[Anm 12]
Pseudocode für die Approximation einer Quaternion durch eine Hurwitz-Ganzzahl :
beliebige Quaternion | |
Lipschitz-Ganzzahl | |
Abweichung der Lipschitz-Näherung | |
Alle 16 halbzahligen Hurwitzeinheiten werden durchprobiert. | |
Abweichung einer Hurwitz-Ganzzahl | |
Der Gitterpunkt mit der kleinsten Abweichung wird festgehalten. | |
Die normmäßige Abweichung des Ergebnisses ist .[Anm 13]
Euklidizität
Der folgende Pseudocode ermittelt zu einer linken Division mit „kleinem“ Rest den Rest:
Dividend , Divisor | |
Division links ergibt rechten Quotienten. | |
Rest der linken Division | |
betragsmäßig minimal |
Das Suffix kennzeichnet das Ergebnis als einer linken Division entstammend. Damit ist es in einer nachfolgenden komplementären Multiplikation zur Verwendung als linker Faktor (Teiler) geeignet.
Diese Division mit Rest macht den Ring der Hurwitzquaternionen zu einem rechts-euklidischen Ring, d. h., zu 2 Zahlen und gibt es und mit
- und .[Anm 15]
Wie in kommutativen euklidischen Ringen ist jedes Ideal in ein Hauptideal – nur muss zusätzlich die Seitigkeit (hier zunächst: rechts) des Ideals angegeben werden.[Anm 16]
Der folgende Pseudocode zeigt einen euklidischen Algorithmus zum Auffinden eines linken größten gemeinsamen Teilers (ggT) zweier Hurwitzquaternionen in .
Hurwitzquaternionen | |
der Rest aus der Division | |
Das Ergebnis ist ein linker Teiler von und , d. h., es gibt mit und . Er ist bis auf rechtsseitige Multiplikation mit einer Hurwitz-Einheit eindeutig bestimmt, bspw. und . Man kann also stets eine Lipschitzquaternion als Ergebnis des Algorithmus auswählen. Außerdem ist auch größter Teiler, d. h., es gibt kein betragsmäßig größeres mit , das linker Teiler von und ist. Das bedeutet auch, dass der linke ggT der beiden obigen rechtsseitigen Faktoren von eine Einheit ist: .
Generell kann man die beiden Faktoren bei jeder Quaternionenmultiplikation und gleichzeitig überall die Begriffe „rechts“ und „links“ vertauschen, was zu den Funktionen und führt.
Der Ring ist also auch links-euklidisch, d. h., zu 2 Zahlen und gibt es und mit
- und .
Und jedes Linksideal in ist ein Links-Hauptideal.
- Fazit
- ist zweiseitig euklidisch – oder euklidisch schlechthin.
Einige einfache Rechenregeln für den ggT für beliebige , wobei das Suffix für eine der Seitigkeiten des ggT steht:
- und
- und analog
Und es gilt auch das beidseitige Lemma von Bézout, d. h., es gibt
- mit (linkes Lemma von Bézout)
- mit (rechtes Lemma von Bézout)
wobei die als Nebenprodukte des resp. euklidischen Algorithmus anfallen (und auch aus der Funktion herausgeführt werden können, s. den Artikel Erweiterter euklidischer Algorithmus).
Automorphismen
Als Automorphismus einer algebraischen Struktur gilt eine bijektive Abbildung , bei der alle algebraischen Verknüpfungen homomorph behandelt werden, d. h. bspw.
- .
Der Primkörper des Schiefkörpers muss immer fest bleiben. Dagegen können die 3 imaginären Einheiten (die die Quaternionengruppe Q8 erzeugen) in eine jeweils andere überführt werden. Die Automorphismen von Q8 lassen sich alle zu Automorphismen von (eindeutig) fortsetzen. Die Untergruppen und von erben diese Automorphismen durch Einschränkung. Somit sind die Automorphismengruppen , und isomorph zu und zur Drehgruppe des Oktaeders, die wiederum zur symmetrischen Gruppe S4 isomorph ist.
Die Automorphismen lassen sich durch (für ) „innere“ Automorphismen realisieren:
- Von den 24 Quaternionen
- werden auf Automorphismen vermittelt vermöge . Die ändern sich nicht, wenn wir die auf die Einheits-3-Sphäre projizieren. Die Ergebnisse erzeugen die Gruppe , welche und isomorph zur binären Oktaedergruppe 2O ist, 48 Elemente und Zentrum hat.
Die Faktorgruppe hat 24 Elemente und ist damit isomorph zu den hier besprochenen Automorphismengruppen (und zur symmetrischen Gruppe S4).
Die Konjugation als Spiegelung an der reellen Achse ist involutiv und (wie schon bei Q8) antihomomorph[6] in der Multiplikation, d. h.
- ,
und wird deshalb als involutiver Antiautomorphismus bezeichnet.
Assoziierte Elemente
Der Begriff der zueinander assoziierten Elemente kann für nicht-kommutative Ringe etwas weiter gefasst werden: 2 Elemente und sind zueinander erweitert assoziiert, wenn es 2 Einheiten gibt mit . Zu einer Hurwitzquaternion gibt es höchstens 242/2 = 288 erweitert Assoziierte, da auf einer der beiden Seiten die ganze Gruppe auf der anderen nur die Faktorgruppe Modulo dem Zentrum durchlaufen werden muss. Die Assoziiertheit ist wie im kommutativen Fall eine Äquivalenzrelation.
Ist , so ist entweder oder (siehe Hurwitz-Gitter), d. h., zu jeder Hurwitzquaternion gibt es links (und genauso rechts) assoziierte Lipschitzquaternionen.
Die Konjugierte ist normalerweise nicht assoziiert.
Ideale
Die Hurwitzquaternionen bilden eine Ordnung (im Sinn der Ringtheorie) in ihrem Quotientenkörper, dem Divisionsring (Schiefkörper) der Quaternionen mit rationalen Koeffizienten. Sie sind dort sogar eine Maximalordnung oder auch Ganzheitsring. Die Lipschitzquaternionen – als auf den ersten Blick näher liegende Kandidaten für das Konzept ganzer Quaternionen – stellen auch eine Ordnung dar, sind aber nicht maximal und haben keine Division mit kleinem Rest. Deshalb sind sie weniger geeignet für die Entwicklung einer Idealtheorie, die mit der algebraischen Zahlentheorie vergleichbar wäre. Adolf Hurwitz hat dies erkannt – ein großer Schritt in der Theorie der Maximalordnungen. Ein anderer war die Feststellung, dass sie – bei einem nicht-kommutativen Ring wie – nicht eindeutig sind (alle rein imaginären Einheitsquaternionen haben zum Quadrat), so dass man sich auf eine festlegen muss, wenn man das Konzept der algebraischen ganzen Zahl auf den Schiefkörper übertragen möchte.
Für mit , also , ist der Automorphismus von auch ein (äußerer) Automorphismus von . Das Linksideal ist gleich
- ,
somit auch Rechtsideal, also zweiseitig und gleich für alle diese 24 Erzeugenden . Ferner ist es ein maximales Ideal mit Faktorring isomorph zu , dem endlichen Körper der Charakteristik 2, dessen multiplikative Gruppe isomorph ist zu und der die 3-ten primitiven Einheitswurzeln enthält (siehe Additions- und Multiplikationstafel). ist genauso maximal in mit Faktorring .[Anm 17]
Prime Elemente, Faktorisierung
Eine Hurwitzquaternion ist prim in genau dann, wenn ihre Norm prim in ist.
Folgende Besonderheiten der natürlichzahligen (rein reellen) Hurwitzquaternionen sind im Kontext der Primelementzerlegung von Belang:
- ist mit jeder anderen Hurwitzquaternion vertauschbar, d. h., .
- Ein ist niemals prim in .
- Ist prim in , dann gibt es nach dem Satz von Jacobi prime Hurwitzquaternionen mit ganzzahligen Koeffizienten und Hurwitzquaternionen mit halbzahligen Koeffizienten , deren Norm ist (und die deshalb nur ausnahmsweise zueinander assoziiert oder konjugiert sein können).[Anm 18]
Jede Hurwitzquaternion lässt sich in Primteiler zerlegen, wobei die Reihenfolge der Primteiler in folgendem Sinn vorgegeben werden kann: Sei eine Hurwitzquaternion und
eine Zerlegung ihrer Norm in Primfaktoren . Dann gibt es zu jeder Reihenfolge dieser Primfaktoren eine Zerlegung von
in Primelemente in mit
- für .[Anm 19]
Bei vorgegebener Primzahlsequenz ist die Faktorisierung bis auf Einheiten zwischen den Primelementen bzw. links und rechts davon und den vielen Aufspaltungsmöglichkeiten eines natürlichen Teilers (dazu muss in der Primzahlsequenz eine Primzahl mindestens 2 Mal vorkommen) eindeutig. Für die Faktorisierung in stehen mehrere Algorithmen zur Verfügung. Ein der Primzahl in korrespondierendes Primelement in kann man bspw. mit der oben beschriebenen Funktion dingfest machen und dann eben links von abspalten. Ist das Ergebnis von , dann kommt die Primzahl in der Primzahlsequenz mindestens 2 Mal vor, und man kann unter ihren vielen Jacobi-Aufspaltungen ein beliebiges Primelement auswählen.[Anm 20]
Metrik, Vervollständigung und Potenzreihenentwicklung
Archimedische Bewertung und Metrik
Die „natürliche“ Bewertung des Schiefkörpers ist die Betragsbewertung
- .
Da jede Größe durch Vervielfachung einer Einheitsgröße betragsmäßig überholt werden kann, wird diese Bewertung archimedisch genannt.[Anm 21] Dieser Betrag induziert die Metrik
- ,
die genau dem euklidischen Abstand im entspricht. Sie erfüllt bekanntlich die Axiome für Metriken:
(1) Definitheit | , |
(2) Symmetrie | , |
(3) Dreiecksungleichung | . |
Die Vervollständigung von für die Metrik führt zu , den Quaternionen mit reellen Koeffizienten. Die Vervollständigung von für die Metrik führt zu nichts Neuem, da eine diskrete Teilmenge von ist.
Zu jeder Hurwitzquaternion gibt es eine eindeutige Darstellung durch jede der zwei endlichen Reihen
- oder
mit der Basis [7], Ziffern (s. Abschnitt #Hurwitz-Einheiten), Basispotenzen rechts bzw. links davon und einem mit .
Dieses Stellenwertsystem, das sich auf ganz erweitern lässt, hat folgende Eigenschaften:
- Es kommt ohne „Vorzeichen“ aus.
- Die Darstellung ist fast überall (= bis auf abzählbar viele Ausnahmen) umkehrbar eindeutig.[Anm 22]
- Die Hurwitzquaternionen entsprechen genau den Darstellungen ohne Nachkommastelle.
- Die Elemente , und nur solche rationalen Elemente, haben periodische Darstellungen.[Anm 23]
Nichtarchimedische Bewertung und Metrik
Zu einer festen Primzahl sei für jedes
- mit
der -Exponent der Norm. Diese (Exponenten-)Bewertung erfüllt:
(A) Definitheit | , |
(B) Multiplikativität | , |
(C) verschärfte Dreiecksungleichung | . |
Man beachte, dass der -Exponent der Norm zu einer Primzahl die Bedingung (C) nicht erfüllt.[Anm 24] Dass es bei klappt, liegt an der Zweiseitigkeit des Ideals .
Man kann eine Gruppe von „Einheiten“
zuordnen, zu der es für einen Bewertungsring gibt.[Anm 25]
Der Bewertungsring zu ist
- ,
ein lokaler Ring mit dem maximalen Ideal
- ,
wobei die (skalaren) Normen der Nenner von beisteuert. Den Anschluss zu den 2-adisch ganzrationalen Zahlen schafft wegen die Gleichung
Die durch definierte Abstandsfunktion
erfüllt ebenfalls die Axiome für Metriken. Dazu noch die
verschärfte Dreiecksungleichung ,
die zu einer Ultrametrik macht. Die Vervollständigung von für diese Metrik führt zu
- ,
den Quaternionen mit 2-adischen Koeffizienten. Der vervollständigte Bewertungsring ist
- ,
der mit der Vervollständigung des Rings der Hurwitzquaternionen zusammenfällt, weil in -dicht liegt[Anm 27]. Hierbei ist die eindeutige Fortsetzung von auf .
Das vervollständigte Bewertungsideal ist
- ,
wo mit , und der Restklassenkörper ist isomorph zu dem im Abschnitt Ideale erwähnten .
Wenn wir als Vervollständigungsoperator nehmen, erhalten wir das nebenstehende Diagramm für die Vervollständigungen der Nebenklassen von , die allerdings im Unterschied zu oben keine Gitter mehr sind.
Wie bei den p-adischen Zahlen haben wir, bei einem festen Primelement , eine eindeutige -adische Darstellbarkeit eines Elementes durch jede der zwei -konvergenten Reihen
- oder
mit (s. o. Repräsentantensystem) und Potenzen der Basis links bzw. rechts davon. Die Elemente , und nur diese rationalen Elemente, haben periodische Darstellungen.[Anm 28]
Siehe auch
Literatur
- Adolf Hurwitz: Vorlesungen Über die Zahlentheorie der Quaternionen. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1919, ISBN 3-642-47536-1.
- John Horton Conway, Derek Alan Smith: On quaternions and octonions: their geometry, arithmetic, and symmetry. A K Peters, 2003, ISBN 1-56881-134-9 (englisch, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- Harold Scott MacDonald Coxeter: Regular Polytopes. 3. Auflage. Dover Publications, 1973, ISBN 0-486-61480-8 (englisch, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- Godfrey Harold Hardy, E. M. Wright: Einführung in die Zahlentheorie. R. Oldenbourg, München 1958, Kap. 20.
Weblinks
- The Lattice D4 as a Hurwitzian lattice
- 4-dim HyperDiamond Lattice
- Eric W. Weisstein: Tesserakt. In: MathWorld (englisch).
- Eric W. Weisstein: 16-Zeller. In: MathWorld (englisch).
- Eric W. Weisstein: 24-Zeller. In: MathWorld (englisch).
- The Regular Polychora
- Marco Möller „Polytope im R4 (= Polychora)“
- Eric W. Weisstein: Uniforme Parkettierungen. In: MathWorld (englisch).
- Richard Klitzing Euclidean tesselations, 1D, 2D, 3D, 4D.
Anmerkungen
- Denn ist , dann ist entweder oder ; ist jedoch , dann ist und entweder oder , welch letzteres .
Somit gibt es zu beliebigen Repräsentanten und Elemente derart, dass und . Dann ist
- .
- .
- Als das aus Semidirektes Produkt#Definition ist die Konjugation zu nehmen.
Neben den genannten Normalteilern Q8 und hat nur zyklische Untergruppen der Ordnungen 3, 4 und 6. Die 8 Hurwitzeinheiten haben die Ordnung 6 und die 8 mit multiplizierten die Ordnung 3. Somit enthält (und damit auch und ) neben 6 primitiven 4-ten auch 8 primitive 6-te aber keine primitiven 12-ten Einheitswurzeln. - Im gibt es 5 reguläre Körper, die sog. Platonischen Körper. Sie haben alle eine Entsprechung im : Obiger 16-Zeller ist bspw. als Kreuz-4-Polytop das Analogon des Kreuzpolytops Oktaeder und der 8-Zeller als Maß-4-Polytop das des Maßpolytops Würfel. Und nach Coxeter, Table I: Regular polytopes, (iii) The three regular polytopes in n dimensions (n ≥ 5) Seite 294f gibt es in den Dimensionen > 4 als reguläre Polytope nur Simplex, Kreuzpolytop und Maßpolytop.
Der 24-Zeller ist zusammengesetzt aus Kreuzpolychor (16-Zeller) und Maßpolychor (8-Zeller). In jeder Dimension lässt sich Kreuzpolytop und Maßpolytop zusammensetzen, d. h. die Menge der Ecken beider Polytope auf der Einheitssphäre platzieren. Nur in der zweiten, wo es banal ist, und eben in der vierten Dimension lässt sich ein reguläres Ergebnis arrangieren. - Zu jeder Dimension gibt es eine Parkettierung des euklidischen Raums mit dem Maßpolytop. Bei Dimensionen > 4 gibt es keine andere reguläre.
- Diese Ecken sind , sind die Mittelpunkte der Oktaeder auf dem Rand des von der Einheitengruppe markierten 24-Zellers und markieren damit den zu ihm dualen 24-Zeller. Das Oktaeder auf seinem Rand mit der Eckenkonfiguration fällt zusammen mit dem Oktaeder mit der Eckenkonfiguration auf dem Rand des um versetzten 24-Zellers mit Mittelpunkt . Da aber das erstere Oktaeder durch die Multiplikation mit einem Element in jedes der 24 Oktaeder auf dem Rand der Grundmasche überführt werden kann und dabei in jeden der 24 Gitternachbarn des Ursprungs übergeht, ferner die Elemente – als Obermenge von – das ganze Gitter erzeugen, müssen die Mittelpunkte aller Maschen dieser Parkettierung genau aus den Punkten aus bestehen.
- Eine Zelle (d. i. ein Oktaeder) gehört 2 Maschen an. An einer Ecke stoßen 8 Maschen zusammen; jeweils 2 Mittelpunkte solcher Maschen sind in derselben Nebenklasse von , nämlich antipodische. Es gibt keine Nachbarmasche mit nur Kante oder nur Dreieck gemeinsam. Die Maschen sind alle parallel zueinander.
- Es kommen also drei 16-Zeller auf einen 24-Zeller der dualen Parkettierung, genauer: 24 facettenartig um die als Pol angeordnete und an dem Oktaeder in ihrer Äquator-Hyperebene halbierte 16-Zeller füllen exakt den 24-Zeller . Die Maschen fallen in 3 Parallelitätsklassen entsprechend der Gruppe .
- Dieses Phänomen hat Ähnlichkeit mit der Packung des Kreises in der Parkettierung der Ebene mit dem regulären 6-Eck bei einer Kusszahl von 6 und einer Packungsdichte von . Im gibt es die Einheits-1-Sphäre, die auch eine Lie-Gruppe ist, nämlich die U(1). Das entsprechende Gitter sind die Eisenstein-Zahlen.
- Für die Bestimmung von ist es unerheblich, welcher von den qualifizierenden Gitterpunkten ausgewählt wird, und für ist es unerheblich, ob zum Vergleichen der Betrag oder die Norm herangezogen wird. Bei einem kompakten Polytop werden die Entfernungsextrema in den Ecken angenommen. Bei ausreichender Symmetrie der Masche sind Punkte auf dem Rand von den Mittelpunkten der Maschen, auf deren Rand sie liegen, gleich weit entfernt; innere Punkte einer Masche haben einen eindeutigen nächsten Gitterpunkt, den Mittelpunkt der Masche.
- Die Grundmasche der Lipschitz-Parkettierung hat einen Radius von 1. Tatsächlich ergibt eine Umschau unter den 8 Gitterpunkten in der Nachbarschaft, dass die 16 Ecken der Grundmasche (als Endpunkte der Raumdiagonalen in allen Tesserakten) von ihnen mindestens 1 entfernt sind.
- Diese Zuordnung eines Punktes zu einer Masche ist eindeutig, und die Ecke ist der einzige Punkt der Masche, der von einen Abstand 1 hat; alle anderen sind näher.
- Die Grundmasche der Hurwitz-Parkettierung hat einen Radius von . Ihre 24 Ecken von der Art
- Das Ergebnis ist von vornherein eindeutig für Quaternionen, die im Inneren einer Masche der Hurwitz-Parkettierung liegen. Bei Quaternionen auf dem Rand (sie liegen ebenfalls auf dem Rand einer Nachbarmasche) bevorzugt der Pseudocode Maschenmittelpunkte , wodurch die Maschen inkongruent werden. Dem lässt sich abhelfen, indem man im Fall gleicher Abweichung nach lexikographischer Ordnung auswählt.
- Der Maschenradius des Gitters
- im beträgt bei einem 1-Volumen von 1,
- im ist bei einem 2-Volumen von 1
- im ist bei einem 2-Volumen von .
- Nach dem unter Maschenradius Gesagten gilt wegen und sogar
- ,
- Ist , dann ist ein Hauptideal. Ist ein Rechtsideal in , dann gibt es ein mit kleinster positiver Norm. Zu jedem gibt es wegen der Rechts-Euklidizität und mit und . Da aber minimal ist mit , muss sein. D. h., ist ein Rechts-Vielfaches von und das Rechts-Hauptideal .
- Reell erzeugte Hauptideale sind ebenfalls zweiseitig, während die übrigen Nichteinheiten
- Allgemeiner ist die Anzahl der Quadratsummenzerlegungen einer ungeraden Zahl als gleich für und gleich für mit als der Teilersummenfunktion.
- Beispiel für Varianten der Primfaktorzerlegung:
(Die Vektornotation soll u. a. die Beliebigkeit der Zuordnung der Komponenten zu den Einheitsvektoren zum Ausdruck bringen.) Die zu zerlegende Hurwitzquaternion sei (13,13,13, 0) mit einer Norm von 507 = 3·13·13. Die Primzahl 13 wurde gewählt, weil sie die kleinste Primzahl ist, die 2 wesentlich verschiedene, d. h. nicht assoziierte und nicht konjugierte, Zerlegungen- (3, 2, 0, 0)·(3,-2, 0, 0) = (2, 2, 2, 1)·(2,-2,-2,-1)
- ( 1, 1, 1, 0)·( 3,-2, 0, 0)·( 3, 2, 0, 0)
- ( 1, 1, 1, 0)·( 2,-2,-2,-1)·( 2, 2, 2, 1)
- ( 3, 2, 0, 0)·( 0, 1, 1,-1)·( 2,-2,-2, 1)
- ( 2,-2,-2,-1)·( 0, 1, 1, 1)·( 3, 2, 0, 0)
- ( 2, 2, 2, 1)·( 1,-1,-1, 0)·( 2, 2, 2,-1)
- ( 3, 2, 0, 0)·( 3,-2, 0, 0)·( 1, 1, 1, 0)
- ( 2, 2, 2, 1)·( 2,-2,-2,-1)·( 1, 1, 1, 0)
- Bei den Gaußschen Zahlen gibt es rein reelle Primelemente, nämlich die Primzahlen mit . Die Primzahlen haben genau 2 Primteiler in , die eindeutig zerlegen und zueinander konjugiert sind.
- Man kann ihr eine Gruppe von „Einheiten“
- Alle Quaternionen mit mehrfacher Darstellbarkeit sind rational aus .
Z. B. gibt es drei Darstellungen für
und genauso alle mit , wobei die Periode wie üblich durch eine über die periodischen Ziffern gezogene Linie gekennzeichnet ist. - Mit dem folgenden Pseudocode lassen sich Hurwitzquaternionen in ein Stellenwertsystem zu einer Basis mit 4 Ziffern – alle mit Norm ≤1 – codieren.
Nach S. Khmelnik, der die Basis −1±i zum ersten Mal (1964) für die komplexen Zahlen vorgeschlagen hat, hängt die Endlichkeit der Darstellung sowohl von der Basis wie vom Ziffernsatz ab. Für geeignete Stellenwertsysteme sind mit Erzeugenden von (s. Abschnitt #Hurwitz-Einheiten). Statt kann auch jedes andere Element der Ordnung 4 genommen werden.
Hurwitzquaternion " " die leere Zeichenkette Die Schleife terminiert für und geeignete Stellenwertsysteme. Genau eine der Ziffern aus dem 4-wertigen Ziffernsatz … … qualifiziert sich. Wenn die Norm gerade ist, … … ist diese Division (eine rechte) ohne Rest. „“ Der Code für die neue Ziffer … … wird dem Ergebnis links vorangestellt. - .
Üblicherweise sind bei archimedischen Stellenwertsystemen die Terme mit Exponenten ≥ 0 links; Nachkommastellen schließen sich rechts vom optionalen Stellenwert-Trennzeichen »« an, das in seiner Asymmetrie anzeigt, auf welcher Seite die Exponenten negativ unendlich werden können. Das angehängte Subskript drückt aus, dass die Basis ist und dass deren Potenzen sich von rechts mit den Koeffizienten (Ziffern) multiplizieren. Somit haben wir z. B.- .
Es zeigt das von einer Potenz in der Gauß-Ebene in eindeutiger Weise durch Summen niedrigerer Potenzen erreichbare Gebiet in gleichen Grautönen – bei jedem Potenzschritt wird ein exaktes Duplikat der Vereinigung des Bisherigen hinzugefügt.Additionstafel - und
Vertauschungsregeln , . - .
- Denn für alle Primelemente mit ist . Wenn nun der Realteil sein sollte, dann lässt sich unter Beibehaltung des bisher Gesagten durch Multiplikation mit einer der Quaternionen sicherstellen, dass . Dann ist , also . Wo doch für eine Bewertung sein müsste.
- Wir haben die Reihe von Normalteilern . Die sind verschieden, denn es ist z. B. und .
- ist Unterring des Schiefkörpers und ist die Lokalisierung des Rings an seinem Primideal , seiner einzigen endlichen Stelle. Die einzige unendliche Stelle ist die oben erwähnte archimedische. Die Betragsfunktion zu einer nicht-trivialen Division mit Rest ist notwendigerweise archimedisch.
- wegen (Satz von Euler und eulersche φ-Funktion) für
- In diesem Artikel seien bei nichtarchimedischen Stellenwertsystemen die Terme mit Exponenten ≥ 0 ebenfalls links vom Trennzeichen platziert; Terme mit negativen Exponenten (bei „gebrochenen“ Zahlen) sind dann rechts vom optionalen Stellenwert-Trennzeichen »«, das in seiner Asymmetrie anzeigt, in welcher Richtung die Exponenten unendlich werden können, also den Unterschied zwischen archimedischer und nichtarchimedischer Darstellung markiert. Das angehängte Subskript drückt aus, dass die Basis ist und dass deren Potenzen sich rechts von den Koeffizienten (Ziffern) befinden.
Z. B. istim System und im System .
Quaternion , maximale Stellenzahl " " die leere Zeichenkette Das Ergebnis ist vollständig. Genau eine der Ziffern aus dem 4-wertigen … … Ziffernsatz qualifiziert sich. Wenn die Norm gerade ist, … … ist diese Division (eine rechte) ohne Rest. Das Zeichen für die neue Ziffer … … wird dem Ergebnis links vorangestellt. Das Ergebnis ist nicht vollständig.
Sind für ein nichtarchimedische und archimedische Codierung (bei gleichem System) beide endlich, dann stimmen auch die Codes überein. - Die Sonderstellung der 2 unter den Primzahlen kommt auch bei den folgenden Überlegungen zur Nullteilerfreiheit von vollständigen, umfassenden Algebren heraus:
Sei eine ungerade Primzahl. Nach dem Vier-Quadrate-Satz gibt es 4 Summanden mit . Nun ist quadratischer Rest , es gibt also nach dem henselschen Lemma ein mit , so dass . Mit dem Ergebnis, dass es unter den Quaternionen mit p-adischen Koeffizienten für Nullteiler gibt.
Im englischen Wikipediaartikel Quaternion algebra#Quaternion algebras over the rational numbers wird festgestellt, dass die Vervollständigungen des Körpers nur über den Stellen und nullteilerfrei sind.
- Für alle ungeraden Zahlen ist , also ist die Summe von 1 bis 4 ungeraden Quadraten . Somit gibt es keine 4 Quadrate in , die nicht-trivial zu aufsummieren, enthält also keine Nullteiler – wie es sein muss.
- Schon bei 5 Summanden sieht es ganz anders aus:
- Alle benötigen wenigstens 4 Summanden , damit ihre Quadrate die Summe bilden. Andererseits ist quadratischer Rest , es gibt also ein mit . Für sei nun derart, dass , und sei . Dann ist , d. h., es gibt eine -konvergente Folge , deren Quadrat ist. Mit dem Ergebnis, dass die Summe aus den 5 Quadraten verschwindet.
Alle oder benötigen wenigstens 3 Summanden , damit ihre Quadrate die Summe bilden. Andererseits sind weder noch quadratische Reste , es braucht also mindestens 2 zusätzliche Zahlen und für . Wie oben kann so gewählt werden, dass verschwindet.
- Aus jedem dieser Ergebnisse folgt weiter, dass es in den Quaternionenalgebren mit Koeffizienten aus den über quadratischen Körpern , , und (die Aufzählung ist vollständig) Nullteiler gibt.
- Nullteiler gibt es auch unter den Quaternionen mit Koeffizienten aus dem über quadratischen Körper wegen der Quadratsumme .
Einzelnachweise
- Conway 5.5 Factoring the Lipschitz Integers, S. 62.
- Conway 5.5 Factoring the Lipschitz Integers, S. 62.
- Bei Conway 5.5 Factoring the Lipschitz Integers, S. 62, wegen seiner Dualität zu D4 bezeichnet als D4*
- Eric W. Weisstein: Hypersphere Packing. In: MathWorld (englisch).
- Oleg R. Musin: The kissing number in four dimensions. In: Annals of Mathematics. Vol. 168, Nr. 1, 2008, S. 1–32, arxiv:math/0309430.
- Eric W. Weisstein: Antihomomorphism. In: MathWorld (englisch).
- Solomon I. Khmelnik: Specialized digital computer for operations with complex numbers. In: Questions of Radio Electronics. Band XII, Nr. 2, 1964 (russisch, izdatelstwo.com [PDF]).