Kvaterniot. Anna-Kaisa Markkanen. Matematiikan pro gradu -tutkielma
|
|
- Jarno Haapasalo
- 8 vuotta sitten
- Katselukertoja:
Transkriptio
1 Kvaterniot Anna-Kaisa Markkanen Matematiikan pro gradu -tutkielma Jyväskylän yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos Kesä 014
2
3 Tiivistelmä: A-K. Markkanen, Kvaterniot (engl. Quaternions), matematiikan pro gradu -tutkielma, 53 sivua, Jyväskylän yliopisto, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, kesä 014. Kvaterniot ovat muotoa x 1 + ix + jx 3 + kx 4 olevia neliulotteisia lukuja, jotka muodostavat omien yhteen- ja kertolaskusääntöjensä kanssa kvaternioiden joukon H. Irlantilainen matemaatikko Sir William Hamilton kehitti kvaterniot vuonna 1843 etsiessään kompleksiluvuista seuraavaa lukualueiden laajennusta. Kuten jokainen kompleksiluku voidaan esittää kahden reaaliluvun avulla, voidaan jokainen kvaternio esittää kahden kompleksiluvun avulla muodossa q = z + jw, missä z = x 1 + ix ja w = x 3 + ix 4. Kvaterniot voidaan esittää vaihtoehtoisesti myös matriisimuodossa siten, että kvaterniota q = x 1 + ix + kx 3 + kx 4 vastaa matriisi [ ] x1 + ix q = x 3 + ix 4. x 3 + ix 4 x 1 ix Joitakin kvaternioiden ominaisuuksia on helpompi tutkia niiden matriisimuotojen kautta. Kvaternioiden kertolasku ei ole kommutatiivinen, joten kvaternioiden joukko H varustettuna kvaternioiden yhteen- ja kertolaskulla ei ole kunta. Se on kuitenkin jakorengas. Kvaterniot voidaan jakaa reaalisiin kvaternioihin α = x 1 ja imaginaarisiin kvaternioihin u = ix +jx 3 +kx 4, ja jokainen kvaternio voidaan esittää muodossa q = α+u. Imaginaariset kvaterniot voidaan samaistaa avaruuden R 3 vektoreihin x = (x 1, x, x 3 ), ja tällöin avaruuden R 3 vektoreiden ominaisuuksia voidaan tarkastella kvaternioiden avulla. Erityisesti avaruuden R 3 kiertoja voidaan tarkastella imaginaaristen kvaternioiden avulla. Kun määritellään kuvaus T q0 : Im(H) Im(H), T q0 (q) = q 0 qq 1 missä q 0 H, saadaan kuvausten T q0 ja imaginaaristen kvaternioiden avulla esitettyä kaikki avaruuden R 3 kierrot. Kvaternioiden avulla voidaan myös osoittaa, että jokainen alkuluku voidaan esittää neljän kokonaisluvun neliön summana. Tämä tapahtuu määrittelemällä Hurwitzin kvaterniot, jotka ovat sellaisia kvaternioita, joiden reaalilukukomponentit ovat kaikki joko kokonaislukuja tai parittomien kokonaislukujen puolikkaita. Koska jokainen kokonaisluku voidaan esittää alkulukujen tulona, saadaan osoitettua, että jokainen kokonaisluku voidaan esittää neljän kokonaisluvun neliön summana. Kvaternioista seuraava lukualueiden laajennus on kahdeksanulotteisten oktonioiden joukko. Kuten jokainen kvaternio voidaan esittää kahden kompleksiluvun avulla, voidaan jokainen oktonio esittää kahden kvaternion avulla. Oktonioiden kertolasku ei ole kommutatiivinen eikä edes assosiatiivinen, joten oktoniot eivät muodosta ryhmää. 0, i
4
5 Sisältö Johdanto 1 Luku 1. Historiaa 3 Luku. Kvaterniot 5 Luku 3. Kvaternioiden matriisiesitys 11 Luku 4. Kvaternioiden algebraa 17 Luku 5. Imaginaariset kvaterniot avaruuden R 3 vektoreina 1 Luku 6. Kvaterniot kolmiulotteisen avaruuden kiertoina 7 Luku 7. Neljän neliön summa 37 Luku 8. Oktoniot 47 Kirjallisuutta 53 iii
6
7 Johdanto Kvaterniot ovat neliulotteisia lukuja, jotka ovat muotoa x 1 +ix +kx 3 +kx 4, missä x 1, x, x 3, x 4 R ja i, j ja k ovat imaginaariyksiköitä. Kvaternioille on määritelty omat yhteen- ja kertolaskusäännöt. Kvaterniot keksi pitkän tutkimisen jälkeen irlantilainen Sir William Hamilton vuonna Hän yritti pitkään laajentaa kompleksilukuja kolmiulotteisiksi hyperkompleksiluvuiksi, joiden kertolasku toteuttaisi reaalilukujen kertolaskun säännöt. Nykyään voidaan helposti osoittaa, että tällaista lukukolmikoiden kertolaskua ei voida löytää. Hamilton keksi lopulta laajentaa lukukolmikot neliulotteisiksi luvuiksi, kvaternioiksi. Kappaleessa 1 käydään läpi hieman Hamiltonin henkilöhistoriaa sekä enemmän kvaternioiden löytymisen historiaa. Kvaternioiden joukko H on neliulotteinen avaruus varustettuna kvaternioiden yhteen- ja kertolaskuilla. Peruskvaternioiden kertolaskusäännöt ovat i = j = k = 1, ij = ji = k, jk = kj = i, ki = ik = j. Näistä johtamalla saadaan laskettua kertolaskusääntö kahdelle kvaterniolle. Luvussa esitellään kvaternioiden laskusäännöt sekä käydään läpi kvaternioiden yleisiä ominaisuuksia. Luvussa kerrotaan, että kvaterniot voidaan esittää muodossa q = α + u, missä α = x 1 on reaalinen kvaternio ja u = ix + jx 3 + kx 4 imaginaarinen kvaternio. Myöhemmissä luvuissa huomataan, että erityisesti imaginaariset kvaterniot ovat hyödyllisiä monissa sovelluksissa. Jokainen kvaternio voidaan esittää myös kahden kompleksiluvun avulla, jolloin voidaan merkitä q = z + jw, missä z = x 1 + ix ja w = x 3 + ix 4 ovat kompleksilukuja. Vaihtoehtoinen tapa merkitä kvaternioita on esittää kvaternio q = x 1 +ix +jx 3 +kx 4 matriisina [ ] x1 + ix q = x 3 + ix 4. x 3 + ix 4 x 1 ix Luvussa 3 näytetään, että kvaternioiden laskutoimitukset vastaavat matriisien laskutoimituksia. Matriisimuodossa esittäessä monia kvaternioiden ominaisuuksia on helpompi todistaa. Luvussa 4 tutkitaan kvaternioiden algebraa. Tässä luvussa osoitetaan, että peruskvaternioiden joukko G = {±1, ±i, ±j, ±k} varustettuna kvaternioiden kertolaskulla on ryhmä ja että kvaternioiden joukko H varustettuna kvaternioiden yhteenlaskulla ja kertolaskulla on vino jakorengas, jonka keskus on Re(H) eli reaalisten kvaternioiden joukko. Imaginaariset kvaterniot voidaan samaistaa avaruuden R 3 vektoreihin niin, että imaginaarista kvaterniota u = ix 1 + jx + kx 3 vastaa avaruuden R 3 vektori x = (x 1, x, x 3 ). Luvussa 5 huomataan, että imaginaaristen kvaternioiden kertolasku 1
8 JOHDANTO voidaan kirjoittaa muodossa uv = u, v + u v, missä u, v on vektoreiden u ja v sisätulo ja u v ristitulo. Luvussa 5 käydään läpi avaruuden R 3 vektoreiden, eli imaginaaristen kvaternioiden, ominaisuuksia, muun muassa sisätulon ja ristitulon laskusääntöjä. Luvussa 6 näytetään, kuinka avaruuden R 3 kiertoja voidaan esittää kvaternioiden avulla määrittelemällä kuvaus T q0 : H H, T q0 (q) = q 0 qq0 1, missä q 0 on yksikkökvaternio. Tässä luvussa käydään läpi kuvauksen T q0 ominaisuuksia ja osoitetaan muun muassa että kuvaus T q0 on bijektio ja että se kuvaa imaginaariset kvaterniot imaginaarisiksi. Luvun lopussa osoitetaan, että kuvausten T q0 avulla saadaan esitettyä kaikki avaruuden R 3 kierrot. Esimerkin avulla näytetään, kuinka tämä käytännössä toimii. Luvussa 7 määritellään Hurwitzin kvaterniot, eli sellaiset kvaterniot, joiden kaikki reaalilukukomponentit ovat joko kokonaislukuja tai parittomien kokonaislukujen puolikkaita. Hurwitzin kvaternioita apuna käyttäen todistetaan, että mikä tahansa alkuluku voidaan esittää neljän kokonaisluvun neliön summana. Tätä tulosta apuna käyttäen osoitetaan, että mikä tahansa kokonaisluku voidaan esittää neljän kokonaisluvun neliön summana. Kun Hamilton oli löytänyt kvaterniot, alettiin luonnollisesti etsiä seuraavia lukualueiden laajennuksia. Luvussa 8 tutustutaan lyhyesti oktonioihin, kahdeksanulotteisiin lukuihin, jotka käyttäytyvät hyvin samankaltaisesti kuin kvaterniot. Kuten jokainen kvaternio voidaan esittää kahden kompleksiluvun avulla, voidaan jokainen oktonio esittää kahden kvaternion avulla. Oktonioille ei voida määritellä kommutatiivista eikä edes assosiatiivista kertolaskua, joten oktonioiden joukko O ei muodosta ryhmää.
9 LUKU 1 Historiaa Historian tietojen lähteenä on käytetty teoksia [9] ja [11]. Sir Willian Hamilton ( ) oli irlantilainen matemaatikko. Hän oli jo lapsena poikkeuksellisen älykäs ja opiskeli setänsä johdolla koko lapsuutensa ajan useita eri kieliä, muun muassa latinaa, kreikkaa ja hepreaa. 13-vuotiaana hän koki saaneensa tarpeekseen kielistä, ja hänen kiinnostuksensa matematiikkaa kohtaan heräsi. Hän aloitti opiskelut Dublinin Trinity Collegessa 18-vuotiaana ja toimi siellä myös astronomian opettajana jo ennen valmistumistaan. Hänen uransa eteni vauhdilla. Hänet nimitettiin vuonna 187, -vuotiaana, Irlannin kuninkaalliseksi astronomiksi. Vuonna 1835, vain 30-vuotiaana, hänet lyötiin ritariksi ja hänestä tuli sir William Hamilton. Hamiltonin kiinnostus kvaternioita kohtaan alkoi kompleksiluvuista. Yksi hänen aiemmista tunnetuista saavutuksista olikin, kun hän vuonna 1835 esitti, että kompleksiluvut voidaan määritellä reaalilukupareina x + iy = (x, y) ja että reaalilukujen yhteen- ja kertolaskun lait assosiatiivisuus, kommutatiivisuus ja distributiivisuus pätevät myös kompleksiluvuille. Hamilton mietti, kuinka lukualueita voisi laajentaa kompleksiluvuista eteenpäin. Hän halusi laajentaa kompleksiluvut kolmiulotteisiksi hyperkompleksiluvuiksi, eli sellaisiksi lukukolmikoiksi, jotka ovat muotoa α + iβ + jγ = (α, β, γ), missä i ja j ovat imaginaariyksiköitä joille pätee i = j = 1. Ehtona oli, että lukujen täytyisi käyttäytyä yhteen- ja kertolaskun suhteen samoin kuin reaalilukujen. Lisäksi kun luvuille määritellään normi N(α+iβ +jγ) = α +β +γ, tulisi kertolaskun olla yhteensopiva sen kanssa, eli N(xy) = N(x)N(y) kaikilla lukukolmikoilla x ja y. Lukukolmikoille oli helppo määritellä yhteenlasku, joka toimii kuten reaalilukujen yhteenlasku; lasketaan luvut yhteen komponenteittain kuten kompleksilukujenkin yhteenlaskussa, (α, β, γ)+(a, b, c) = (α +a, β +b, γ +c). Kertolaskun määritteleminen kuitenkin aiheutti ongelmia. Hamilton yritti vuosia keksiä lukukolmikolle kertolaskua (α, β, γ)(a, b, c) = (A, B, C), joka toimisi kuten reaalilukujen kertolasku ja joka olisi yhteensopiva normin kanssa, mutta ei yrityksistään huolimatta koskaan onnistunut. Ennen kuolemaansa hän kirjoitti kirjeessä pojalleen: Joka aamu, kun tulin aamiaiselle, kysyit minulta: 'Isä, joko sinä osaat kertoa lukukolmikoita?' Joka kerta jouduin vastaamaan pään pudistuksen kera 'Ei, osaan vain laskea niitä yhteen ja vähentää.' Nykyään on helppo osoittaa, että tällaista kertolaskua ei voida määritellä lukukolmikolle: Olkoot 1 = (1, 0, 0), i = (0, 1, 0) ja j = (0, 0, 1) perusyksiköitä siten, että i = j = 1. Tällöin olisi ij = α + βi + γj 3
10 4 1. HISTORIAA joillakin α, β, γ R. Jos oletetaan, että kertolasku on assosiatiivinen, niin pätee i(ij) = (ii)j = j. Nyt j = i(ij) = i(α + βi + γj) = (αi β + γij) = αi β + γ(α + βi + γj) = (γα β) + (γβ + α)i + (γ )j. Siis olisi γ = 1, mikä ei voi olla mahdollista, sillä γ R. Itse asiassa ranskalainen matemaatikko Adrien Marie Legendre osoitti jo luvulla, että lukukolmikoille ei voida määritellä reaalilukujen tapaan toimivaa kertolaskua. Jos Hamilton olisi lukenut lukuteoriaa ja kuullut tästä tuloksesta, hän ei luultavasti olisi käyttänyt turhaan vuosia tällaisen kertolaskun etsimiseen. Kvaternioiden löytymisen läpimurto tapahtui vuonna Tarinan mukaan Hamilton oli 16. lokakuuta vuonna 1843 kävelemässä vaimonsa Lady Hamiltonin kanssa tapaamiseen Kuninkaalliseen Irlannin Akatemiaan. Kävellessään Broughamin sillalla hän viimein tajusi, että kahden imaginaarisen yksikön sijaan hän tarvitsisi kolme. Hän raapusti keksimänsä imaginaariyksiköiden laskusäännöt sillan kiveen: i = j = k = ijk = 1. Hamiltonista tuli kvaternioiden luoja, ja kvaternioita kutstutaankin myös Hamiltonin kvaternioiksi. Hamilton käytti lähes koko loppuelämänsä kvaternioiden tutkimiseen ja kirjoitti niistä myös kirjallisuutta. Kvaternioista tuli Dublinin yliopistossa myös oma opetettava aineensa. Monet matemaatikot vähättelivät kvaternioiden merkitystä, sillä niiden kertolasku ei ollut kommutatiivinen, eli ne eivät toimineet kuten tavalliset luvut. Hamilton kuitenkin uskoi, että kvaternioilla tulisi olemaan tärkeä rooli fysiikassa luvulla Josiah Willard Gibbs ja Oliver Heaviside kehittelivät nykymuotoista vektorianalyysia ja keksivät käyttää kvaternioita vektoreina erottamalla niistä reaali- ja imaginaariosan erilleen. Tässä tarkoituksessa kvaternioita käytetään yhä edelleen fysiikan ja tekniikan sovelluksissa. Kvaternioiden löytymisellä oli toinenkin tärkeä seuraus; ne olivat ensimmäiset luvut jotka eivät toteuttaneet tavallista algebraa. Vaikka kaikki eivät heti hyväksyneetkään kvaternioita oikeiksi luvuiksi, niiden kehittäminen vapautti algebrallista ajattelua ja avasi ovia uudenlaiselle matemaattiselle ajattelulle.
11 LUKU Kvaterniot Luvun tietoja on poimittu lähes kaikista lähteistä. Pääasiallisina lähteinä on käytetty luentomonistetta [4] sekä teoksia [1], [] ja [10]. Merkitään vektoriavaruudessa R 4 1 = (1, 0, 0, 0), i = (0, 1, 0, 0), j = (0, 0, 1, 0), k = (0, 0, 0, 1). Tällöin kaikki avaruuden R 4 alkiot voidaan kirjoittaa muodossa x = (x 1, x, x 3, x 4 ) = x x i + x 3 j + x 4 k = x 1 + ix + jx 3 + kx 4, missä x 1, x, x 3, x 4 R. Tällaisia neliulotteisia lukuja kutsutaan kvaternioiksi. Kvaternioita 1, i, j ja k kutsutaan peruskvaternioiksi. Kvaternioiden joukko H on neliulotteinen avaruus varustettuna kvaternioiden yhteen- ja kertolaskulla. Olkoot q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 ja p = y 1 + iy + jy 3 + ky 4 kvaternioita. Vektoriavaruuden laskusääntöjen nojalla kvaternion q ja reaaliluvun s tulo on sq = s(x 1 + ix + jx 3 + kx 4 ) = sx 1 + isx + jsx 3 + ksx 4, kvaternioiden q ja p yhteenlasku on ja vähennyslasku q + p = (x 1 + ix + jx 3 + kx 4 ) + (y 1 + iy + jy 3 + ky 4 ) = (x 1 + y 1 ) + i(x + y ) + j(x 3 + y 3 ) + k(x 4 + y 4 ) q p = (x 1 + ix + jx 3 + kx 4 ) (y 1 + iy + jy 3 + ky 4 ) = (x 1 y 1 ) + i(x y ) + j(x 3 y 3 ) + k(x 4 y 4 ). Kvaternioiden q ja p kertolaskun määrittelemiseksi määritellään ensin peruskvaternioiden kertolaskusäännöt, joiden avulla voidaan johtaa yleinen kahden kvaternion kertolasku. Peruskvaternioiden kertolaskukaavat ovat i = j = k = ijk = 1 ij = ji = k jk = kj = i ki = ik = j. Peruskvaternioiden kertolaskut voidaan esittää taulukkona: 5
12 6. KVATERNIOT 1 i j k 1 1 i j k i i 1 k j j j k 1 i k k j i 1 Taulukko 1. Peruskvaternioiden kertolasku Olettaen, että tavalliset kertolaskusäännöt pätevät kvaternioille, saadaan peruskvaternioiden kertolaskukaavojen avulla saadaan johdettua lauseke kahden kvaternion kertolaskulle: qp = (x 1 + ix + jx 3 + kx 4 )(y 1 + iy + jy 3 + ky 4 ) = x 1 y 1 + x 1 iy + x 1 jy 3 + x 1 ky 4 + ix y 1 + ix iy + ix jy 3 + ix ky 4 + jx 3 y 1 + jx 3 iy + jx 3 jy 3 + jx 3 ky 4 + kx 4 y 1 + kx 4 iy + kx 4 jy 3 + kx 4 ky 4 = x 1 y 1 + ix 1 y + jx 1 y 3 + kx 1 y 4 + ix y 1 x y + kx y 3 jx y 4 + jx 3 y 1 kx 3 y x 3 y 3 + ix 3 y 4 + kx 4 y 1 + jx 4 y ix 4 y 3 x 4 y 4 = x 1 y 1 x y x 3 y 3 x 4 y 4 + (x 1 y + x y 1 + x 3 y 4 x 4 y 3 )i + (x 1 y 3 + x 3 y 1 x y 4 + x 4 y )j + (x 1 y 4 + x 4 y 1 + x y 3 x 3 y )k. Kvaternioiden kertolasku on assosiatiivinen, mutta ei kommutatiivinen, sillä esimerkiksi ij = k, mutta ji = k. Kvaternioiden kertolasku on myös distributiivinen, ja distributiivisuudelle saadaan kaksi eri sääntöä: q 1 (q + q 3 ) = q 1 q + q 1 q 3 ja (q + q 3 )q 1 = q q 1 + q 3 q 1. Seuraavassa luvussa käydään läpi vaihtoehtoinen tapa tutkia kvaternioiden ominaisuuksia ja siellä osoitamme, että nämä laskusäännöt pätevät. Määritelmä.1. Olkoon q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 kvaternio. Sanotaan, että q on reaalinen kvaternio, jos x = x 3 = x 4 = 0 eli q = x 1. Jos taas x 1 = 0, eli q = ix +jx 3 +kx 4, sanotaan, että q on imaginaarinen kvaternio. Merkitään reaalisten kvaternioiden joukkoa Re(H) = {x R} ja imaginaaristen kvaternioiden joukkoa Im(H) = {ix + jx 3 + kx 4 : x, x 3, x 4 R}. Huomautus.. Jokainen kvaternio q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 voidaan kirjoittaa muodossa q = α + u, missä α = x 1 Re(H) ja u = ix + jx 3 + kx 4 Im(H). Huomautus.3. Koska Re(H) = {x R} = R, voidaan reaalilukujen joukko R tulkita kvaternioiden H osajoukoksi, kun samaistetaan reaaliluku x kvaternioksi (x, 0, 0, 0). Määritelmä.4. Kvaternion q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 konjugaatti eli liittoluku on q = x 1 ix jx 3 kx 3 moduli eli itseisarvo on q = x 1 + x + x 3 + x 4 normi on N(q) = q = x 1 + x + x 3 + x 4.
13 Huomautus.5. Kaikille q, p H pätee (1) q = q () q + p = q + p (3) N(q) = N(q) (4) jos q Re(H), niin N(q) = q (5) jos q Im(H), niin q = q.. KVATERNIOT 7 Lause.6. Olkoot q ja p kvaternioita. Tällöin (1) qq = qq = N(q) () qp = p q (3) N(qp) = N(q)N(p). (4) qp = q p Todistus. Olkoot q = x 1 +ix +jx 3 +kx 4 ja p = y 1 +iy +jy 3 +ky 4 kvaternioita. (1) Laskemalla saadaan qq = (x 1 + ix + jx 3 + kx 4 )(x 1 ix jx 3 kx 4 ) = (x 1 + x + x 3 + x 4) + ( x 1 x + x x 1 x 3 x 4 + x 4 x 3 )i + ( x 1 x 3 + x 3 x 1 + x x 4 x 4 x )j + ( x 1 x 4 + x 4 x 1 x x 3 + x 3 x )k = x 1 + x + x 3 + x 4. Vastaavasti qq = (x 1 ix jx 3 kx 4 )(x 1 + x + x 3 + x 4 ) = (x 1 + x + x 3 + x 4) + ( x 1 x + x x 1 x 3 x 4 + x 4 x 3 )i + ( x 1 x 3 + x 3 x 1 + x x 4 x 4 x )j + ( x 1 x 4 + x 4 x 1 x x 3 + x 3 x )k = x 1 + x + x 3 + x 4. Siis qq = qq = N(q). () Nyt saadaan qp = (x 1 + ix + jx 3 + kx 4 )(y 1 + iy + jy 3 + ky 4 ) ja = (x 1 y 1 x y x 3 y 3 x 4 y 4 ) (x 1 y + x y 1 + x 3 y 4 x 4 y 3 )i (x 1 y 3 + x 3 y 1 x y 4 + x 4 y )j (x 1 y 4 + x 4 y 1 + x y 3 x 3 y )k = (x 1 y 1 x y x 3 y 3 x 4 y 4 ) + ( x 1 y x y 1 x 3 y 4 + x 4 y 3 )i + ( x 1 y 3 x 3 y 1 + x y 4 x 4 y )j + ( x 1 y 4 x 4 y 1 x y 3 + x 3 y )k p q = (y 1 iy jy 3 ky 4 )(x 1 ix jx 3 kx 4 ) = (y 1 x 1 y x y 3 x 3 y 4 x 4 ) + ( y 1 x y x 1 + y 3 x 4 y 4 x 3 )i + ( y 1 x 3 y 3 x 1 y x 4 + y 4 x )j + ( y 1 x 4 y 4 x 1 + y x 3 y 3 x )k. Koska x 1, x, x 3, x 4, y 1, y, y 3, y 4 R, niin qp = p q. (3) Edellisten kohtien perusteella N(qp) (1) = (qp)(qp) () = qpp q (1) = qn(p)q = qqn(p) = N(q)N(p)
14 8. KVATERNIOT (4) Normin määritelmän ja edellisen kohdan nojalla qp = N(qp) = N(q)N(p) = q p. Siis qp = q p. Huomautus.7. Merkitään q = α + u, missä α Re(H) ja u Im(H). Tällöin sillä jos q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4, niin N(q) = N(α + u) = N(α) + N(u), N(q) = x 1 + x + x 3 + x 4 = (x 1) + (x + x 3 + x 4) = N(α) + N(u). Määritelmä.8. Kvaternio q on parillinen (tai pariton), jos sen normi N(q) = x 1 + x + x 3 + x 4 on parillinen (tai pariton) kokonaisluku. Määritelmä.9. Kvaternio q on yksikkökvaternio, jos N(q) = 1. Erityisesti imaginaarinen kvaternio u, jolle pätee N(u) = 1, on imaginaarinen yksikkökvaternio. Jos q 0, on kvaterniolla q olemassa käänteiskvaternio q 1, jolle pätee qq 1 = q 1 q = 1. Käänteiskvaternion lauseke saadaan ratkaistua lauseen.6 avulla: qq = N(q) q = 1 q N(q) q 1 = q N(q) Huomautus.10. Jos q on yksikkökvaternio, myös q 1 on yksikkökvaternio ja q 1 = q. Osoitetaan seuraavaksi kvaternioiden avulla, että jos kerrotaan keskenään kaksi sellaista lukua, jotka koostuvat neljän kokonaisluvun neliön summasta, saadaan tulokseksi taas luku, joka koostuu neljän kokonaisluvun neliön summasta. Lause.11. Jokaiselle x 1, x, x 3, x 4, y 1, y, y 3, y 4 Z pätee joillakin z 1, z, z 3, z 4 Z. (x 1 + x + x 3 + x 4)(y 1 + y + y 3 + y 4) = z 1 + z + z 3 + z 4 Todistus. Olkoot q = x 1 +ix +jx 3 +kx 4 ja p = y 1 +iy +jy y +ky 4 kvaternioita siten, että x 1, x, x 3, x 4, y 1, y, y 3, y 4 Z. Nyt (x 1 + x + x 3 + x 4)(y 1 + y + y 3 + y 4) = N(q)N(p). Kvaternioiden kertolaskusääntöjen nojalla qp = x 1 y 1 x y x 3 y 3 x 4 y 4 + (x 1 y + x y 1 + x 3 y 4 x 4 y 3 )i + (x 1 y 3 + x 3 y 1 x y 4 + x 4 y )j + (x 1 y 4 + x 4 y 1 + x y 3 x 3 y )k,
15 . KVATERNIOT 9 joten N(qp) = (x 1 y 1 x y x 3 y 3 x 4 y 4 ) + (x 1 y + x y 1 + x 3 y 4 x 4 y 3 ) + (x 1 y 3 + x 3 y 1 x y 4 + x 4 y ) + (x 1 y 4 + x 4 y 1 + x y 3 x 3 y ). Normin laskusääntöjen nojalla N(q)N(p) = N(qp), joten (x 1 + x + x 3 + x 4)(y1 + y + y3 + y4) = N(q)N(p) = N(qp) on muotoa z1 + z + z3 + z4, joten lause pätee.
16
17 LUKU 3 Kvaternioiden matriisiesitys Tämän kappaleen pääasiallisina lähteinä on käytetty teosta [1] sekä tutkielmaa [6]. Hamilton osoitti, että jokainen kompleksiluku voidaan esittää kahden reaaliluvun avulla: x + iy = (x, y). Samalla tavoin jokainen kvaternio voidaan esittää kahden kompleksiluvun avulla: q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 = (x 1 + ix ) + (x 3 + ix 4 )j = z + jw = (z, w), missä z = x 1 + ix C ja w = x 3 + ix 4 C. Osoitetaan seuraavaksi, että kvaternio q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 voidaan esittää myös matriisina [ ] [ ] x1 + ix q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 = x 3 + ix 4 z w = M x 3 + ix 4 x 1 ix w z (C). Tällöin kvaternioiden joukko voidaan esittää muodossa { [ ] } z w H = : z, w C. w z Näytetään, että matriisimuotoisten kvaternioiden joukko H todellakin on sama kuin luvussa määritelty kvaternioiden joukko. Määritellään kuvaus h : R 4 H asettamalla Kuvaus h on lineaarikuvaus, sillä h(x) = h(x 1, x, x 3, x 4 ) [ ] [ ] x1 + ix = x 3 + ix 4 z w =. x 3 + ix 4 x 1 ix w z h(ax + by) = h(ax 1 + by 1, ax + by, ax 3 + by 3, ax 4 + by 4 ) [ ] ax1 + by = 1 + i(ax + by ) ax 3 + by 3 + i(ax 4 + by 4 ) ax 3 by 3 + i(ax 4 + by 4 ) ax 1 + by 1 i(ax + by ) [ ] [ ] x1 + ix = a x 3 + ix 4 y1 + iy + b y 3 + iy 4 x 3 + ix 4 x 1 ix y 3 + iy 4 y 1 iy = ah(x) + bh(y) kaikilla a, b R. Osoitetaan, että kuvaus h on bijektio. 11
18 1 3. KVATERNIOIDEN MATRIISIESITYS Lause 3.1. Kuvaus h on bijektio. Todistus. Osoitetaan, että kuvaus h on (1) injektio ja () surjektio. (1) Olkoot [ ] z w q = ja p = w z [ ] z w w z matriisimuotoisia kvaternioita. Merkitään z = x 1 + [ ix, z = ] x 1 + [ ix, ] z w z w = x 3 + ix 4, w = x 3 + ix w 4. Olkoon q = p, eli = w z w z. Tällöin z = z ja w = w, mistä seuraa, että x 1 = x 1, x = x, x 3 = x 3 ja x 4 = x 4, eli (x 1, x, x 3, x 4 ) = (x 1, x, x 3.x 4). Kuvaus h on siis injektio. () Osoitetaan, että h(r 4 ) = H. Selvästi h(r[ 4 ) H. Osoitetaan ] siis, että z w H h(r 4 ). Olkoon q H. Tällöin q = joillakin z = x w z 1 + ix ja w = x 3 + ix 4. Merkitään x = (x 1, x, x 3, x 4 ), jolloin [ ] [ ] x1 + ix h(x) = h(x 1, x, x 3, x 4 ) = x 3 + ix 4 z w = = q, x 3 + ix 4 x 1 ix 4 w z joten kuvaus h on surjektio. Kuvaus h on siis bijektio. Koska kuvaus h on bijektio, jokaista avaruuden R 4 alkiota eli myös jokaista kvaterniota vastaa täsmälleen yksi matriisimuotoinen kvaternio. Osoitetaan vielä, että matriisien yhteen- ja kertolasku vastaavat kvaternioiden yhteen- ja kertolaskua. Olkoot [ ] [ ] z w x1 + ix q = = x 3 + ix 4 M w z x 3 + ix 4 x 1 ix (C) ja [ ] t v p = = v t [ ] y1 + iy y 3 + iy 4 M y 3 + iy 4 y 1 iy (C). Tällöin kun lasketaan matriisien yhteenlaskusäännön avulla, saadaan matriisien q ja p summaksi [ ] [ ] [ ] z w t v z + t w + v q + p = + = w z v t w t z + v [ ] x1 + y = 1 + i(x + y ) x 3 + y 3 + i(x 4 + y 4 ). x 3 y 3 + i(x 4 + y 4 ) x 1 + y 1 i(x y ) Matriisia q + p vastaa siis kvaternio (x 1 + y 1 ) + i(x + y ) + j(x 3 + y 3 ) + k(x 4 + y 4 ), mikä on sama kuin kvaternioiden q = (x 1 +ix +jx 3 +kx 4 ) ja p = (y 1 +iy +jy 3 +ky 4 ) summa. Matriisien kertolaskusäännön avulla taas saadaan [ ] [ ] z w t v qp = w z v t [ ] zt wv zv + wt =. wt z v wv + z t
19 Lasketaan matriisin alkiot auki yksitellen: 3. KVATERNIOIDEN MATRIISIESITYS 13 zt wv = (x 1 + ix )(y 1 + iy ) (x 3 + ix 4 )(y 3 iy 4 ) = (x 1 y 1 x y ) + i(x 1 y + x y 1 ) ((x 3 y 3 + x 4 y 4 ) + i( x 3 y 4 + x 4 y 3 ) = (x 1 y 1 x y x 3 y 3 x 4 y 4 ) + i(x 1 y + x y 1 + x 3 y 4 x 4 y 3 ) zv + wt = (x 1 + ix )(y 3 + iy 4 ) + (x 3 + ix 4 )(y 1 iy ) = (x 1 y 3 x y 4 ) + i(x 1 y 4 + x y 3 ) + (x 3 y 1 + x 4 y ) + i( x 3 y + x 4 y 1 ) = (x 1 y 3 x y 4 + x 3 y 1 + x 4 y ) + i(x 1 y 4 + x y 3 x 3 y + x 4 y 1 ) wt z v = (x 3 ix 4 )(y 1 + iy ) (x 1 ix )(y 3 iy 4 ) = ((x 3 y 1 + x 4 y + i(x 3 y x 4 y 1 )) ((x 1 y 3 x y 4 ) + i( x 1 y 4 x y 3 )) = ( x 3 y 1 x 4 y x 1 y 3 + x y 4 ) + i( x 3 y + x 4 y 1 + x 1 y 4 + x y 3 ) wv + z t = (x 3 ix 4 )(y 3 + iy 4 ) + (x 1 ix )(y 1 iy ) = ((x 3 y 3 + x 4 y 4 ) + i(x 3 y 4 x 4 y 3 )) + (x 1 y 1 x y + i( x 1 y x y 1 ) = ( x 3 y 3 x 4 y 4 + x 1 y x y ) + i( x 3 y 4 + x 4 y 3 x 1 y x y 1 ). Matriisia qp vastaa siis kvaternio qp = (x 1 y 1 x y x 3 y 3 x 4 y 4 ) + (x 1 y + x y 1 + x 3 y 4 x 4 y 3 )i + (x 1 y 3 x y 4 + x 3 y 1 + x 4 y )j + (x 1 y 4 + x y 3 x 3 y + x 4 y 1 )k, mikä on sama kuin kvaternioiden q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 ja p = y 1 + iy + jy 3 + ky 4 tulo. Nyt on osoitettu, että joukko { [ ] } z w H = : z, w C w z todellakin vastaa luvussa määriteltyä kvaternioiden joukkoa H. Kvaternioita voidaan siis nyt tutkia myös niiden matriisiesityksen kautta. Erityisesti matriisiesitys on kätevä kvaternioiden ominaisuuksien tarkastelulle. Matriisien avulla laskemalla voidaan säästyä pitkiltä laskutoimituksilta. Kvaternioille pätevät nyt siis luonnollisesti samat laskusäännöt kuin matriiseille. Esimerkiksi matriisien yhteenlasku on tunnetusti assosiatiivinen ja kommutatiivinen, joten myös kvaternioiden yhteenlasku on assosiatiivinen ja kommutatiivinen. Kvaternioiden kertolasku taas on assosiatiivinen, mutta ei kommutatiivinen, sillä esimerkiksi [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] i 0 0 i i i 0 = =. 0 i i i 0 0 i Matriisien kertolasku on myös tunnetusti distributiivinen, joten luvussa annetut kvaternioiden distributiivisuussäännöt q 1 (q + q 3 ) = q 1 q + q 1 q 3 ja (q + q 3 )q 1 = q q 1 + q 3 q 1 voidaan nyt perustella matriisien laskusääntöjen nojalla. Tutkitaan seuraavaksi kvaternioiden ominaisuuksia niiden matriisiesityksen kautta. Määritellään joukon H nolla- ja yksikkömatriisi
20 14 3. KVATERNIOIDEN MATRIISIESITYS 0 = [ ] ja 1 = I = [ ] Tiedetään, että kaikille A M pätee A + 0 = 0 + A = A ja AI = IA = A. Jokainen matriisi q H voidaan pilkkoa osiin seuraavasti: [ ] x1 + ix q = x 3 + ix 4 x 3 + ix 4 x 1 ix [ ] [ ] [ ] [ ] x1 0 ix 0 0 x3 0 ix4 = x 1 0 ix x 3 0 ix 4 0 [ ] [ ] [ ] [ ] 1 0 i i = x 1 + x x 0 i 3 + x i 0 Merkitään jolloin q voidaan taas kirjoittaa muodossa [ ] [ ] 1 0 i 0 1 =, i =, i [ ] [ ] i j =, k =, 1 0 i 0 q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4. Luvussa annettiin kvaternion q 0 käänteiskvaterniolle lauseke q 1 = 1 N(q) q. Johdetaan tästä käänteiskvaterniolle matriisiesitys: q 1 = 1 N(q) (x 1 ix j 3 kx 4 ) = 1 [ ] x1 ix x 3 ix 4. N(q) x 3 ix 4 x 1 + ix Jos merkitään z = 1 (x N(q) 1 ix ) ja w = 1 ( x N(q) 3 ix 4 ), saadaan käänteiskvaternion matriisiesitys muotoon [ ] z q 1 w = w z. Koska x, w C, niin q 1 H. Tutkitaan, millainen matriisimuotoisen kvaternion konjugaatti on: q = x 1 ix jx 3 kx 4 [ ] x1 ix = x 3 ix 4 x 3 ix 4 x 1 + ix [ ] z w =, w z
21 3. KVATERNIOIDEN MATRIISIESITYS 15 kun z = x 1 + ix ja w = x 3 + ix 4. Huomataan, että kvaternion q konjugaatti saadaan ottamalla konjugaatti sen transpoosin q T jokaisesta alkiosta, sillä [ ] z w q T =. w z Kun lasketaan matriisimuotoisen kvaternion determinantti, saadaan yhteys determinantin ja kvaternion normin välille: [ ] x1 + ix det q = det x 3 + ix 4 x 3 + ix 4 x 1 ix = (x 1 + ix )(x 1 ix ) (( x 3 + ix 4 )(x 3 + ix 4 )) = (x 1 + x ) + i( x 1 x + x x 1 ) (( x 3 x 4)( x 3 x 4 + x 4 x 3 )) = x 1 + x + x 3 + x 4. Nähdään siis, että det q = N(q).
22
23 LUKU 4 Kvaternioiden algebraa Tutkitaan seuraavaksi kvaternioiden joukon H algebraa. Osoitetaan, että peruskvaternioiden joukko G = {±1, ±i, ±j, ±k} varustettuna kvaternioiden kertolaskulla on ryhmä sekä että joukko H varustettuna kvaternioiden yhteenlaskulla ja kertolaskulla on jakorengas. Tämän luku perustuu pääasiassa lähteisiin [5] ja [6]. Lause 4.1. Joukko G = {±1, ±i, ±j, ±k} varustettuna kvaternioiden kertolaskulla, (G, ), on ryhmä. Todistus. Jotta joukko olisi ryhmä, sille täytyy päteä seuraavat ominaisuudet: (1) Kertolasku on joukon G sisäinen laskutoimitus () Kertolasku on assosiatiivinen (3) Kertolaskulla on neuraalialkio (4) Jokaisella joukon G alkiolla on käänteisalkio kertolaskun suhteen. Osoitetaan, että nämä ominaisuudet pätevät joukolle (G, ): (1) Olkoot q, p G. Tällöin peruskvaternioiden kertolaskusääntöjen nojalla esimerkiksi taulukosta 1 nähdään, että qp G. Kertolasku on siis joukon G sisäinen laskutoimitus. () Kuten jo aiemmin on todettu, kvaternioiden kertolasku on assosiatiivinen. (3) Joukossa G on neutraalialkio kertolaskun suhteen, 1 = [ ], sillä 1 q = q 1 = q kaikilla q G. (4) Koska 1 1 = 1, ii = i( i) = 1, jj = j( j) = 1 ja kk = k( k) = 1, on jokaisella q G käänteisalkio kertolaskun suhteen, ja jokaisen q G käänteisalkio on myös joukon G alkio. Joukko G = {±1, ±i, ±j, ±k} varustettuna kvaternioiden kertolaskulla on siis ryhmä. Lause 4.. Joukko H varustettuna yhteenlaskulla ja kertolaskulla, (H, +, ), on jakorengas. Todistus. Jotta joukko (H, +, ) olisi jakorengas, sille täytyy päteä seuraavat ominaisuudet: (1) Joukko (H, +) on kommutatiivinen ryhmä () Kertolasku on distributiivinen yhteenlaskun suhteen (3) Kertolaskulla on neutraalialkio (4) Kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, eli jokaisella joukon H nollasta poikkeavalla alkiolla on käänteisalkio kertolaskun suhteen. Osoitetaan, että nämä ominaisuuden pätevät joukolle (H, +, ): 17
24 18 4. KVATERNIOIDEN ALGEBRAA (1) Jo aiemmin on todettu, että kvaternioiden yhteenlasku on assosiatiivinen ja kommutatiivinen. Joukossa H on myös neutraalialkio yhteenlaskun suhteen, [ ] =, 0 0 sillä q + 0 = 0 + q = q kaikilla q H. Jokaisella q H on lisäksi käänteisalkio yhteenlaskun suhteen, q H, sillä q + ( q) = q + q = 0. Joukko (H, +, ) on siis kommutatiivinen ryhmä. () Luvussa on todettu, että kvaternioiden kertolasku on distributiivinen yhteenlaskun suhteen. (3) Joukossa H on neutraalialkio kertolaskun suhteen, [ ] =, 0 1 sillä 1 q = q [ 1 = q kaikilla ] [ q H. ] z w x1 + ix (4) Olkoon q = = x 3 + ix 4 H siten, että q 0. w z x 3 + ix 4 x 1 ix [ ] z Luvussa 3 määritettiin kvaternion q käänteiskvaternio q 1 w = w z, missä z = 1 (x N(q) 1 ix ) ja w = 1 ( x N(q) 3 ix 4 ). Koska nyt q 1 H ja qq 1 = q 1 q = 1, niin jokaisella kvaterniolla q 0 on käänteisalkio q 1 kertolaskun suhteen, eli jokainen q H on yksikkö. Joukko (H, +, ) on siis jakorengas. Joukko H ei kuitenkaan ole kunta, sillä kuten jo aiemmin on todettu, kvaternioiden kertolasku ei ole kommutatiivinen. Tutkitaan vielä, mikä on joukon H keskus. Määritelmä 4.3. Renkaan (G, +, ) keskus on joukko Z(G) = {z G : zg = gz kaikilla g G} eli joukko, jonka jokainen alkio on kertolaskun suhteen vaihdannainen jokaisen joukon G alkion kanssa. Osoitetaan, että kvaternioiden joukon H keskus on joukko Re(H). Todistetaan ensin yksi aputulos: Lemma 4.4. Olkoon q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 H joillakin x 1, x, x 3, x 4 R. Tällöin (1) jos qi = iq, niin x 3 = x 4 = 0 () jos qj = jq, niin x = x 4 = 0 (3) jos qk = kq, niin x = x 3 = 0. Todistus. (1) Kvaternioiden kertolaskusäännön nojalla saadaan qi = (x 1 + ix + jx 3 + kx 4 )i = x 1 i + ix i + jx 3 i + kx 4 i = ix 1 x kx 3 + jx 4 = x + ix 1 + jx 4 kx 3,
25 4. KVATERNIOIDEN ALGEBRAA 19 ja vastaavasti iq = i(x 1 + ix + jx 3 + kx 4 ) = ix 1 + iix + ijx 3 + ikx 4 = ix 1 x + kx 3 jx 4 = x + ix 1 jx 4 + kx 3. Näistä huomataan, että qi = iq x 3 = x 4 = 0. Kohtien () ja (3) todistus saadaan vastaavilla laskuilla. Lause 4.5. Olkoon q = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 H joillakin x 1, x, x 3, x 4 R. Tällöin zq = qz kaikilla z H jos, ja vain jos x = x 3 = x 4 = 0. Todistus. Olkoon q H. Oletetaan, että zq = qz kaikilla z H. Valitaan ensin z = i. Edellisen lemman perusteella jos iq = qi, niin x 3 = x 4 = 0. Valitaan sitten z = j. Tällöin jos jq = qj, niin x = x 4 = 0. Yhdistämällä nämä huomataan, että jos zq = qz kaikilla z H, niin x = x 3 = x 4 = 0. Jos taas x = x 3 = x 4 = 0, niin q = x 1 R, ja zq = qz kaikilla z H. Edellisen lauseen perusteella siis renkaan (H, +, ) keskus on joukko Z(H) = {z = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 H : x = x 3 = x 4 = 0} = Re(H).
26
27 LUKU 5 Imaginaariset kvaterniot avaruuden R 3 vektoreina Imaginaariset kvaterniot ix 1 + jx + kx 3 voidaan samaistaa kolmiulotteisiin vektoreihin siten, että imaginaarista kvaterniota ix 1 + jx + kx 3 vastaa avaruuden R 3 vektori (x 1, x, x 3 ). Avaruuden R 3 vektoreiden ominaisuuksia voidaan siis tutkia imaginaaristen kvaternioiden avulla. Muistellaan ensin hieman avaruuden R 3 vektoreiden ominaisuuksia. Lähteinä esitiedoille on käytetty pääasiassa luentomonisteita [7] ja [8]. Olkoot x = (x 1, x, x 3 ) ja y = (y 1, y, y 3 ) kolmiulotteisen avaruuden vektoreita. Vektoreiden x ja y sisätulo on x, y = x 1 y 1 + x y + x 3 y 3 R. Vektoreiden sisätulo on tunnetusti assosiatiivinen, distributiivinen ja kommutatiivinen. Tiedetään myös, että (5.1) x, y = 0 jos ja vain jos x y. Vektoreiden x ja y välinen ristitulo on x y = (x y 3 x 3 y, x 3 y 1 x 1 y 3, x 1 y x y 1 ) R 3. Vektoreiden ristitulo taas ei ole assosiatiivinen eikä kommutatiivinen. Sen sijaan se on distributiivinen sekä antikommutatiivinen eli x y = (y x). Tutkitaan seuraavaksi imaginaaristen kvaternioiden kertolaskun yhteyttä kolmiulotteisten vektoreiden sisätuloon ja ristituloon. Tämän luvun lähteenä on käytetty pääasiassa teosta []. Olkoot u = ix 1 +jx +kx 3 = (x 1, x, x 3 ) ja v = iy 1 +jy +ky 3 = (y 1, y, y 3 ) imaginaarisia kvaternioita. Kvaternioiden kertolaskusääntöjen mukaan uv = (ix 1 + jx + kx 3 )(iy 1 + jy + ky 3 ) = (x 1 y 1 + x y + x 3 y 3 ) + (x y 3 x 3 y )i + (x 3 y 1 x 1 y 3 )j + (x 1 y x y 1 )k. Huomataan, että alkuosa x 1 y 1 +x y +x 3 y 3 on vektoreiden u ja v sisätulo, ja loppuosa (x y 3 x 3 y )i + (x 3 y 1 x 1 y 3 )j + (x 1 y x y 1 )k on vektoreiden u ja v ristitulo. Nämä yhdistämällä saadaan imaginaaristen kvaternioiden kertolasku muotoon (5.) uv = u, v + u v. Tästä saadaan kvaternioiden sisätulo ja ristitulo seuraavanlaiseen muotoon: (5.3) u v = 1 (uv vu) ja (5.4) u, v = 1 (uv + vu), 1
28 5. IMAGINAARISET KVATERNIOT AVARUUDEN R 3 VEKTOREINA sillä ja 1 (uv vu) = 1 ( u, v + (u v) + v, u (v u)) = 1 ( u, v + (u v) + u, v + (u v)) = u v 1 (uv + vu) = 1 ( u, v + (u v) v, u + (v u)) = ( u, v + (u v) u, v (u v)) = u, v. Käydään seuraavaksi läpi joitakin lauseita vektoreiden sisätuloon ja ristituloon liittyen. Lemma 5.1. Kaikilla u, v Im(H) pätee (5.5) u, v = 1 (uv + vu). Todistus. Olkoot u = ix 1 + jx + kx 3 Im(H) ja v = iy 1 + jy + ky 3 Im(H). Tällöin kvaternioiden kertolaskusäännön nojalla saadaan laskettua uv + vu = ( ix 1 jx kx 4 )(iy 1 + jy + ky 4 ) + ( iy 1 jy ky 4 )(ix 1 + jx + kx 4 ) = (x 1 y 1 + x y + x 3 y 3 ) + (y 1 x 1 + y x + y 3 x 3 ) + ( ( x y 3 + x 3 y ) + ( y x 3 + y 3 x ) ) i + ( (x 1 y 3 x 3 y 1 ) + (y 1 x 3 y 3 x 1 ) ) j + ( ( x 1 y + x y 1 ) + ( y 1 x + y x 1 ) ) k = (x 1 y 1 + x y + x 3 y 3 ) = u, v. Lause 5.. Kaikilla u, v, w Im(H) pätee u (v w) = 1 (uvw vwu). Todistus. Koska uvw = u( v, w + (v w)) = v, w u + u(v w) ja vwu = ( v, w + (v w))u = v, w u + (v w)u,
29 5. IMAGINAARISET KVATERNIOT AVARUUDEN R 3 VEKTOREINA 3 niin 1 (uvw vwu) = 1 ( v, w u + u(v w) ( v, w u + (v w)u)) = 1 (u(v w) (v w)u) 5. = 1 ( u, v w + u (v w) ( v w, u + (v w) u)) = 1 (u (v w) (v w) u) = 1 (u (v w) ( u (v w)) = 1 ((u (v w))) = u (v w). Lause 5.3 (Grassman). Kaikilla u, v, w Im(H) pätee Todistus. Kaavan (5.4) nojalla Lauseen 5. nojalla u (v w) = u, w v u, v w. uvw vwu = (uv + vu)w v(uw + wu) = u, v w + u, w v = ( u, w v u, v w). u (v w) = 1 (uvw vwu) = u, w v u, v w. Lause 5.4 (Jacobi). Kaikilla u, v, w Im(H) pätee u (v w) + v (w u) + w (u v) = 0. Todistus. Lause seuraa suoraan edellisestä lauseesta, sillä u (v w) + v (w u) + w (u v) = u, w v u, v w + v, u w v, w u + w, v u w, u v = 0. Tunnettu ja monissa matematiikan sovelluksissa hyödyllinen Cauchyn epäyhtälö sanoo, että u, v u, u v, v. Avaruudessa R 3 tälle epäyhtälölle on olemassa vahvempi muoto, joka on hyvin keskeinen vektorialgebrassa: Lause 5.5 (CauchySchwarz). Kaikilla u, v Im(H) pätee u, v + N(u v) = N(u)N(v).
30 4 5. IMAGINAARISET KVATERNIOT AVARUUDEN R 3 VEKTOREINA Todistus. Lauseen todistus seuraa suoraan lauseesta.6 sekä kaavasta (5.): N(u)N(v).6 = N(uv) (5.) = N( u, v + (u v)).7 = N( u, v ) + N(u v) = u, v + N(u v). Viimeinen yhtäsuuruus pätee, koska jos u, v R, niin u, v = u, v. Määritellään seuraavaksi avaruuden R 3 kolmen vektorin kolmitulo. Määritelmä 5.6. Kolmen imaginaarisen kvaternion u, v ja w kolmitulo on u v, w. Lause 5.7. Kaikilla u, v, w Im(H) pätee u v, w = uv, w. Todistus. Olkoot u, v, w Im(H). Nyt yhtälöstä (5.) seuraa, että uv, w = ( u, v + (u v)), w = u, v, w + (u v), w. Viimeinen yhtäsuuruus seuraa siitä, että vektoreiden sisätulo on assosiatiivinen. Nyt tiedetään, että R Im(H). Koska u, v R ja w Im(H), niin u, v, w = 0, joten u, v, w + (u v), w = (u v), w. Vektorin sisätulon ja ristitulon määritelmien avulla voidaan osoittaa, että (5.6) u v, u = 0, kun u, v Im(H) : Olkoon u = ix 1 + jx + kx 3 = (x 1, x, x 3 ) ja v = (iy 1 + jy + ky 3 ) = (y 1, y, y 3 ). Tällöin u v, u = (x y 3 x 3 y, x 3 y 1 x 1 y 3, x 1 y x y 1 ), (x 1, x, x 3 ) = (x y 3 x 3 y )x 1 + (x 3 y 1 x 1 y 3 )x + (x 1 y x y 1 )x 3 = x y 3 x 1 x 1 y 3 x + x 3 y 1 x x y 1 x 3 + x 1 y x 3 x 3 y x 1 = 0. Edellisten ominaisuuksien perusteella voidaan todistaa seuraava lause: Lause 5.8. Kaikilla u, v, w Im(H) pätee Todistus. Kaavan (5.6) perusteella u v, w = u, v w. (u w) v, (u w) = 0.
31 5. IMAGINAARISET KVATERNIOT AVARUUDEN R 3 VEKTOREINA 5 Koska vektoreiden sisätulo on distributiivinen ja ristitulo on distributiivinen ja antikommutatiivinen, niin (u w) v, (u w) = (u v) (w v), (u w) = (u v), (u w) (w v), (u w) = (u v), u (u v), w (w v), u + (w v), w (5.6) = (u v), w u, (w v) = (u v), w u, (v w) = (u v), w + u, (v w) = 0, joten u v, w = u, v w.
32
33 LUKU 6 Kvaterniot kolmiulotteisen avaruuden kiertoina Olkoon q 0 H sellainen kvaternio, jolle q 0 = 1. Määritellään kuvaus T q0 : H H, kaikilla q H. T q0 (q) = q 0 qq 1 0 Huomautus 6.1. Ehto q 0 = 1 ei ole välttämätön; Olkoon q 0 = 1. Tällöin kvaternio q 0 = q 0 q 0, jolle siis q 0 = 1, antaa q 0 q q 0 1 = q 0 q 0 q q 0 q 0 = q 0 qq 1 0. Tarkastellaan joitakin kuvauksen T q0 käytetty teosta [10] sekä tutkielmaa [6]. ominaisuuksia. Tämän luvun lähteinä on Lause 6.. Olkoon q 0 H siten, että q 0 = 1, ja olkoon kuvaus T q0 : H H, T q0 (q) = q 0 qq 1 0. Tällöin (1) T q0 (q + p) = T q0 (q) + T q0 (p) kaikilla q, p H. () T q0 (qp) = T q0 (q)t q0 (p) kaikilla q, p H. (3) T q0 (αq) = αt q0 (q) kaikilla α R, q H. Todistus. Olkoot q, p H ja α R. Tällöin (1) T q0 (q + p) = q 0 (q + p)q0 1 = q 0 qq0 1 + q 0 pq0 1 = T q0 (q) + T q0 (p). () T q0 (q)t q0 (p) = (q 0 qq0 1 )(q 0 pq0 1 ) = q 0 qpq0 1 = T q0 (qp). (3) Koska α R = Re(H), ja Re(H) on joukon H keskus, niin T q0 (αq) = q 0 αqq 1 0 = αq 0 qq 1 0 = αt q0 (q). Lause 6.3. Kuvaus T q0 : H H, T q0 (q) = q 0 qq 1 0 on lineaarinen isometria. Todistus. Kuvauksen T q0 lineaarisuus seuraa suoraan lauseesta 6.: T q0 (αq + βp) = αt q0 (q) + βt q0 (p). Osoitetaan, että kuvaus T q0 on isometria. Täytyy osoittaa, että kaikille q, p H pätee q p = T q0 (q) T q0 (p). 7
34 8 6. KVATERNIOT KOLMIULOTTEISEN AVARUUDEN KIERTOINA Tämä voidaan osoittaa suoraan itseisarvon laskusääntöjen avulla laskemalla: T q0 (q) T q0 (p) = q 0 qq 1 0 q 0 pq 1 0 = q 0 (q p)q 1 0 = q 0 q p q 1 0 = q 0 1 q 0 q p = q p. Huomautus 6.4. Koska T q0 (0) = 0, seuraa lauseesta 6.3 suoraan, että kaikilla q H. T q0 (q) = q Lause 6.5. Kuvaus T q0 : H H, T q0 (q) = q 0 qq 1 0 on bijektio. Kuvauksen T q0 bijektiivisyys osoitetaan kolmen seuraavan lauseen avulla. Lause 6.6. Kuvauksen T q0 rajoittuma reaalisten kvaternioiden joukkoon, T q0 Re(H), on identtinen kuvaus. Todistus. Olkoon α Re(H). Koska Re(H) on joukon H keskus, niin T q0 (α) = q 0 αq 1 0 = αq 0 q 1 0 = α 1 = α. Koska T q0 (α) = α kaikilla α Re(H), on selvää, että jos q Re(H), niin T q0 (q) Re(H). Osoitetaan seuraavaksi, että jos q Im(H), niin T q0 (q) Im(H). Lause 6.7. Jos q Im(H), niin T q0 (q) Im(H). Todistus. Osoitetaan ensin yksi aputulos: Aputulos 6.8. Olkoon q kvaternio. Nyt q Im(H) jos, ja vain jos q on eipositiivinen reaaliluku. Todistus. Olkoon q = α + u H, missä α Re(H), 0 u = ix + jx 3 + kx 4 Im(H). Tällöin q = (α + u) = α + αu + u. Nyt kvaternioiden kertolaskusäännön avulla saadaan laskettua u = (ix + jx 3 + kx 4 ) = (ix + jx 3 + kx 4 )(ix + jx 3 + kx 4 ) = (x + x 3 + x 4) + (x 3 x 4 x 4 x 3 )i + ( x x 4 + x 4 x )j + (x x 3 x 3 x )k = (x + x 3 + x 4). Luku u on siis ei-positiivinen reaaliluku. Tarkastellaan nyt kvaternion q osaa α + αu. Jos q Im(H), niin α = 0, eli q = u on ei-positiivinen reaaliluku. Jos taas q on ei-positiivinen reaaliluku, täytyy olla αu R, sillä q = α +αu+u ja α, u R. Koska u Im(H), pätee αu R vain siinä tapauksessa, että α = 0. Siis q Im(H).
35 6. KVATERNIOT KOLMIULOTTEISEN AVARUUDEN KIERTOINA 9 Nyt siis q Im(H), joten aputuloksen perusteella q on ei-positiivinen reaaliluku. Aputuloksen perusteella myös T q0 (q) Im(H), jos (T q0 (q)) on ei-positiivinen reaaliluku. Laskemalla saadaan ((T q0 (q)) = (q 0 qq0 1 ) = (q 0 qq0 1 )(q 0 qq0 1 ) = q 0 q q0 1 = q q 0 q0 1 = q. Siis T q0 (q) Im(H), joten lause 6.7 on nyt todistettu. Lause 6.9. Kuvauksen T q0 T q0 Im(H), on bijektio. rajoittuma imaginaaristen kvaternioiden joukkoon, Todistus. Määritellään kuvaus P q0 : Im(H) Im(H), P q0 (q) = q0 1 qq 0. Tällöin T q0 P q0 (q) = T q0 (q0 1 qq 0 ) = q 0 (q0 1 qq 0 )q0 1 = q, ja P q0 T q0 (q) = P q0 (q 0 qq0 1 ) = q0 1 q 0 qq0 1 q 0 = q. Siis kuvauksella T q0 : Im(H) Im(H), T q0 (q) = q 0 qq0 1 on käänteiskuvaus P q0 : Im(H) Im(H), P q0 (q) = q0 1 qq 0, joten T q0 Im(H) on bijektio. Jos nyt kvaternio q esitetään muodossa q = α+u, missä α Re(H) ja u Im(H), niin kuvaus T q0 (q) saadaan muotoon T q0 (q) = T q0 (α + u) = T q0 (α) + T q0 (u). Koska kuvaus T q0 kuvaa jokaisen reaalisen kvaternion reaaliseksi kvaternioksi ja imaginaarisen kvaternion imaginaariseksi kvaternioksi, ja lisäksi kuvauksen T q0 rajoittuma sekä reaalisten että imaginaaristen kvaternioiden joukkoon on bijektio, on kuvaus T q0 bijektio. Tutkitaan vielä tarkemmin, mitä kuvaus T q0 tekee geometrisesti avaruudessa R 3. Luvussa 5 näytettiin, että imaginaariset kvaterniot voidaan samaistaa avaruuden R 3 vektoreiksi. Seuraavassa lauseessa tutkitaankin avaruuden R 3 vektoreita, tasoja ja kiertoja käyttäen apuna imaginaarisia kvaternioita tulkiten ne avaruuden R 3 vektoreina. Lause Olkoon q 0 = α 0 + u 0 H, missä α 0 Re(H) ja u 0 Im(H), ja q 0 = 1. Olkoon kuvaus T q0 : Im(H) Im(H), T q0 (q) = q 0 qq0 1. (1) Jos α 0 = 0 eli q 0 = u 0 Im(H), niin kuvaus T q0 (q) = q 0 qq0 1 on peilaus tason P R 3, jolle P q 0, suhteen. () Jos α 0 0 eli q 0 = α 0 +u 0, niin kuvaus T q0 on kierto kvaternion u 0 suuntaisen vektorin suhteen kulmalla 0 < θ < π, joka saadaan lausekkeesta tan( θ) = u 0 α 0. Todistus. Osoitetaan ensin yksi aputulos. Aputulos Olkoon q 0 = α 0 + u 0 H siten että α 0 Re(H) ja u 0 Im(H). Tällöin T (u 0 ) = q 0 u 0 q0 1 = u 0. Todistus. Koska q 0 = α 0 + u 0, niin u 0 saadaan muotoon u 0 = q 0 α 0. Koska kvaternion ja reaaliluvun välinen kertolasku on kommutatiivinen, saadaan q 0 u 0 q 1 0 = q 0 (q 0 α 0 )q 1 0 = q 0 q 0 q 1 0 q 0 α 0 q 1 0 = q 0 α 0 = u 0.
36 30 6. KVATERNIOT KOLMIULOTTEISEN AVARUUDEN KIERTOINA Aputuloksen nojalla kuvaus T q0 kuvaa siis vektorin u 0 itsekseen. Koska T q0 (αu 0 ) = αt q0 (u 0 ) = αu 0, kuvaa T q0 myös kaikki muut vektorin u 0 kanssa yhdensuuntaiset vektorit itsekseen. Olkoon P R 3 taso siten, että P u 0, ja olkoon q Im(H). Jaetaan q komponentteihin q u0 ja q p niin, että q u0 = αu 0 jollakin α R ja q p P. Nyt tiedetään, että kuvaus T q0 säilyttää komponentin q u0 itsenään, joten tutkitaan, mitä se tekee komponentille q p. Osoitetaan ensin, että T q0 (q p ) P. Aputulos 6.1. Olkoon P taso ja q 0 = α 0 +u 0 yksikkökvaternio siten, että P u 0. Tällöin T q0 (q) P kaikilla q P. Todistus. Koska P u 0, ja q P, niin myös q u 0. Kaavojen (5.1) ja (5.4) nojalla q, u 0 = 0 1 (qu 0 + u 0 q) = 0 qu 0 + u 0 q = 0. Nyt kaavan (5.1) nojalla T q0 (q) P jos, ja vain jos T q0 (q), u 0 = 0, eli q 0 qq0 1, u 0 = 0. Koska q 0 = α 0 + u 0 on yksikkökvaternio, niin q0 1 = α 0 u 0. Lisäksi koska u 0 Im(H), niin aputuloksen 6.8 nojalla u 0 R. Nyt kaavan (5.4) nojalla saadaan laskettua q 0 qq 1 0, u 0 = 1 (q 0qq 1 0 u 0 + u 0 q 0 qq 1 0 ) = 1 ((α 0 + u 0 )q(α 0 u 0 )u 0 + u 0 (α 0 + u 0 )q(α 0 u 0 )) = 1 ((α 0q + u 0 q)(α 0 u 0 u 0) + (u 0 α 0 + u 0)(qα 0 qu 0 )) = 1 (α 0qu 0 α 0 qu 0 + u 0 qα 0 u 0 u 0 qu 0 + u 0 α 0q u 0 α 0 qu 0 + u 0qα 0 u 0qu 0 ) = 1 (α 0qu 0 + α 0u 0 q α 0 qu 0 + u 0qα 0 + u 0 qα 0 u 0 u 0 α 0 qu 0 u 0 qu 0 u 0 qu 0 ) = 1 (α 0(qu 0 + u 0 q) u 0(u 0 q + qu 0 )) = 1 ((α 0 u 0 )(qu 0 + u 0 q)) = 0, koska qu 0 + u 0 q = 0. Siis T q0 (q) P kaikilla q P. Olkoon θ vektoreiden q p ja T q0 (q p ) = q 0 q p q0 1 välinen kulma. Koska q 0 q p q0 1 = q 0 q p q0 1 = q p, saadaan sisätulon (kaavan (5.5)) avulla laskettua: cos θ = q p, q 0 q p q0 1 = 1 q p q p (q p(q 0 q p q0 1 ) + (q 0 q p q0 1 )q p ) = 1 q p (q pq 0 q p q 0 + q 0q 0 qq p 1 ) = q 0 q 0 q 0 q 0 q p q 0 (q pq 0 q p q 0 + q 0 q p q 0 q p ) 1 = q p q 0 ( q 1 pq 0 q p q 0 q 0 q p q 0 q p ) = q p q 0 (q pq 0 q p q 0 + q 0 q p q 0 q p ).
37 6. KVATERNIOT KOLMIULOTTEISEN AVARUUDEN KIERTOINA 31 Kuva 6.1. Lauseen 6.10 taso P ja vektorit u 0, q ja T q0 (q) Jotta tämä yhtälö saadaan helpompaan muotoon, todistetaan seuraava aputulos: Aputulos Olkoon q Im(H) ja q 0 H siten, että q 0 = α 0 + u 0. Tällöin, jos q u 0, niin qq 0 = q 0 q Todistus. Koska q, u 0 Im(H), niin q = q ja u 0 = u 0. Jos nyt q u 0, niin Tästä seuraa, että q, u 0 = qu 0 + u 0 q = (qu 0 + u 0 q) = 0 qu 0 = u 0 q. qq 0 = q(α 0 + u 0 ) = qα 0 + qu 0 = α 0 q u 0 q = (α 0 u 0 )q = q 0 q. Nyt yhtälö saadaan muotoon 1 cos θ = q p q 0 (q 1 pq 0 q p q 0 + q 0 q p q 0 q p ) = q p q 0 (q 0qpq 0 + q 0 qpq 0 ) q = q p q 0 (q 0 + q0) = q p q p q 0 (q 0 + q0) = 1 (q 0 + q q 0 q 0). 0 Kun merkitään q 0 = α 0 + u 0, saadaan yhtälö edelleen muotoon 1 cos θ = (α 0 u 0 )(α 0 + u 0 ) ((α 0 u 0 ) + (α 0 + u 0 ) ) = Kohta (1): Nyt α 0 = 0, joten q p 1 (α0 u 0) (α 0 + u 0) = α 0 + u 0. α0 u 0 cos θ = u 0 u 0 = 1,
38 3 6. KVATERNIOT KOLMIULOTTEISEN AVARUUDEN KIERTOINA eli θ = π. Vektoreiden q p ja T q0 (q p ) = q 0 q p q0 1 välinen kulma on siis 180 ja q p q 0, joten kuvaus T q0 tasossa P on kierto kulmalla π. Kuvaus T q0 on siis identiteettikuvaus tasossa P. Kun vektori q jaetaan komponentteihin q p ja q u0, niin T q0 (q p ) = q p ja T q0 (q u0 ) = q u0, joten kuvaus T q0 on peilaus tason P suhteen. Kuva 6.. Tapaus q 0 = u 0 Kohta (): Trigonometristen kaavojen mukaan tan ( θ ) = 1 cos θ 1+cos θ, joten tan ( θ ) = 1 cos θ 1 + cos θ = 1 α 0 +u 0 α 0 u α 0 +u 0 α 0 u 0 = (α 0 u 0 ) (α 0 +u 0 ) α 0 u 0 (α 0 u 0 )+(α 0 +u 0 ) α 0 u 0 = u 0 α 0 = u 0. α0 Koska u 0 Im(H), niin u 0 = u 0 u 0 = u 0, joten tan ( θ) = u 0. Siis kuvaus T q0 on kierto kvaternion u 0 suuntaisen akselin suhteen kulmalla θ, jolle tan( θ) = u 0 α 0 tai tan( θ) = u 0 α 0. Vielä täytyy tarkastella, mihin suuntaan kierto tapahtuu. Lasketaan vektoreiden q p ja T q0 (q p ) ristitulo: α 0
39 6. KVATERNIOT KOLMIULOTTEISEN AVARUUDEN KIERTOINA 33 q p T q0 (q p ) = q p q 0 q p q 1 0 (5.3) = 1 (q pq 0 q p q0 1 q 0 q p q0 1 q p ).10 = 1 (q pq 0 q p q 0 q 0 q p q 0 q p ) 6.13 = 1 (q 0q p qq 0 q 0 q p q p q 0 ) = 1 (q pq 0 q pq 0) = 1 q p(q 0 q 0). Kun merkitään q 0 = α 0 + u 0, saadaan yhtälö edelleen muotoon q p T q0 (q p ) = 1 q p((α 0 u 0 ) (α 0 + u 0 ) ) = 1 q p( 4α 0 u 0 ) = q pα 0 u 0. Koska q p Im(H), niin aputuloksen 6.8 nojalla qp on negatiivinen reaaliluku. Nyt siis qpα 0 R, joten vektoreiden q p ja T q0 (q p ) ristitulo on vektorin u 0 kanssa samansuuntainen vektori. Jos nyt qpα 0 > 0, tapahtuu kierto oikean käden säännön nojalla positiiviseen suuntaan ja jos qpα 0 < 0, tapahtuu kierto negatiiviseen suuntaan. Koska qp < 0, määrää α 0 kierron suunnan; Jos α 0 > 0, niin qpα 0 > 0, joten kierto tapahtuu positiiviseen suuntaan eli vastapäivään. Jos taas α 0 < 0, niin qpα 0 < 0, joten kierto tapahtuu negatiiviseen suuntaan eli myötäpäivään. Koska nyt tiedetään, mihin suuntaan kierto tapahtuu, voidaan todeta, että kulma θ saadaan lausekkeesta tan( θ) = u 0 α 0, missä luvun α 0 merkki määrää kierron suunnan. Kuva 6.3. Tapaus q 0 = α 0 + u 0
40 34 6. KVATERNIOT KOLMIULOTTEISEN AVARUUDEN KIERTOINA Tarkastellaan vielä esimerkin avulla, kuinka lausetta 6.10 voidaan käyttää avaruuden R 3 kiertojen tarkastelussa. Tutkitaan ensin, kuinka yksikkökvaterniot voidaan esittää sellaisessa muodossa, että niitä on helpompi soveltaa lauseeseen. Olkoon q 0 = x 1 +ix +jx 3 +kx 4 yksikkökvaternio eli N(q 0 ) = x 1+x +x 3+x 4 = 1. Valitaan kulma θ siten, että x 1 = cos 1 θ. Tällöin sin 1 θ = 1 cos 1 θ = x 1 + x + x 3 + x 4 x 1 = x + x 3 + x 4. Määritellään reaaliluvut x, x 3 ja x 4 siten, että x = x sin 1θ, x 3 = x 3 sin 1θ ja x 4 = x 4 sin 1θ. Tällaiset luvut löydetään aina, sillä sin 1 θ on reaaliluku väliltä [ 1, 1]. Merkitään u = ix + jx 3 + kx 4. Nyt q 0 saadaan muotoon q 0 = x 1 + ix + jx 3 + kx 4 = cos 1 θ + ix sin 1 θ + jx 3 sin 1 θ + kx 4 sin 1 θ = cos 1 θ + u sin 1 θ. Jos sin 1θ = 0, niin q 0 = x 1 = cos 1θ. Oletetaan, että sin 1 θ 0. Tällöin sin 1 θ = x + x 3 + x 4 = ((x ) + (x 3) + (x 4) ) sin 1 θ, eli (x ) + (x 3) + (x 4) = 1, joten u on yksikkökvaternio. Jokainen yksikkökvaternio voidaan siis kirjoittaa muodossa q 0 = cos 1 θ + u sin 1 θ, missä u on imaginaarinen yksikkökvaternio. Tämä muoto helpottaa kiertojen tutkimista. Esimerkki Kierretään vektoria q = ix + jx 3 + kx 4 Im(H) vektorin i + j suuntaisen akselin suhteen 90. Olkoon θ = 90 = π ja v = i+j. Vektorin v pituus on, ja cos 1θ = cos π = 1 4 ja sin 1θ = sin π = 1 4. Määritellään yksikkökvaternio q 0 siten, että q 0 = cos 1 θ + u sin 1 θ, missä u on vektorin v suuntainen yksikkövektori, eli q 0 = cos 1 θ + u sin 1 θ = cos π 4 + sin π 4 = i + j = 1 + i + j + i + j =. 1 v v
41 6. KVATERNIOT KOLMIULOTTEISEN AVARUUDEN KIERTOINA 35 Nyt kvaternio q 0 on siis muotoa α 0 + u 0, missä α 0 = ja u 0 = i+j on vektorin v = i + j suuntainen kvaternio. Lisäksi u 0 ( 1 ) + ( 1 ) = = 1 = 1, α 0 eli kun θ = 90, niin tan θ = u 0 α 0. Lauseen 6.10 mukaan 90 asteen kierto vektorin i + j suuntaisen akselin suhteen saadaan nyt kuvauksen T q0 avulla. Koska q 0 on yksikkökvaternio, niin huomautuksen.10 nojalla i j q0 1 = q 0 =. Nyt laskemalla saadaan ( T q0 (q) = q 0 qq0 1 + i + j ) ( i j ) = (ix + jx 3 + kx 4 ) ( ( = 1 x 1 ) ( x 3 + x + 1 ) ( x 4 i + x 3 1 ) x 4 j ( ) + x x 3 1 ) ( i j ) x k ( ( x x 3 ) x + x 4 x3 + x ) 4 = ( + x x 3 ( x + x 4 ) x4 + x 3 x ) + + i ( + ( x x 3 ) ( x3 x 4 ) x4 + x 3 x ) + j ( + ( x + x 4 ) x3 x 4 ( x4 + x 3 x ) ) + + k ( x + x 3 + x ) ( 4 x + x 3 x ) ( 4 x + x 3 = i + j ( 1 = x + 1 ) ( 1 x 3 + x 4 i + x + 1 ) ( ) x 3 x 4 j + x + x 3 k. Eli kun kvaterniota q = ix +jx 3 +kx 4 kierretään 90 vektorin i+j suuntaisen akselin suhteen, saadaan tulokseksi kvaternio ( 1 x + 1 ) ( 1 x 3 + x 4 i + x + 1 ) ( ) x 3 x 4 j + x + x 3 k. Nyt tiedämme, kuinka avaruuden R 3 peilauksia ja kiertoja voidaan esittää lauseen 6.10 avulla. Varmistetaan vielä, että kaikki avaruuden R 3 peilaukset ja kierrot saadaan esitettyä kvaternioiden ja kuvausten T q0 avulla. Koska voimme valita lauseen 6.10 kvaternion q 0 = α 0 + u 0 mielivaltaisesti, niin voimme kiertää mitä tahansa imaginaarista kvaterniota q, eli mitä tahansa avaruuden R 3 vektoria, minkä tahansa kvaternion u 0 suuntaisen akselin suhteen millä tahansa ) k
H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.
10. Kunnat ja kokonaisalueet Määritelmä 10.1. Olkoon K rengas, jossa on ainakin kaksi alkiota. Jos kaikki renkaan K nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, niin K on jakorengas. Kommutatiivinen jakorengas
Lisätiedotkaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja
Renkaat Tarkastelemme seuraavaksi rakenteita, joissa on määritelty kaksi binääristä assosiatiivista laskutoimitusta, joista toinen on kommutatiivinen. Vaadimme muuten samat ominaisuudet kuin kokonaisluvuilta,
Lisätiedot1 Kompleksiluvut. Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7
Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7 1 Kompleksiluvut Lukualueiden laajennuksia voi lähestyä polynomiyhtälöiden ratkaisemisen kautta. Yhtälön x+1 = 0 ratkaisemiseksi tarvitaan negatiivisia lukuja.
Lisätiedoty z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2
Kompleksiluvut. Määritelmä Tarkastellaan euklidista tasoa R = {(, y), y R}. y y z = (, y) R Kuva : Euklidinen taso R Suorakulmaisessa koordinaatistossa on -akseli ja y-akseli. Luvut ja y ovat pisteen z
Lisätiedotsitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n
Määritelmä 1.1 Algebran A keskus C on joukko C (A) = {a A ax = xa x A}. Lause 1. Olkoon Cl n Cliffordin algebra, jonka generoi joukko {e 1,..., e n }. Jos n on parillinen, niin C (Cl n ) = {λ λ R}. Jos
LisätiedotAlgebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT
Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) 31.1.-4.2.2011 OT 1. Määritellään kokonaisluvuille laskutoimitus n m = n + m + 5. Osoita, että (Z, ) on ryhmä.
LisätiedotDihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013
Dihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013 Sisältö Johdanto 2 1 Ryhmä 3 2 Symmetrinen ryhmä 6 3 Symmetriaryhmä 10 4 Dihedraalinen ryhmä 19 Lähdeluettelo
LisätiedotEsko Turunen Luku 3. Ryhmät
3. Ryhmät Monoidia rikkaampi algebrallinen struktuuri on ryhmä: Määritelmä (3.1) Olkoon joukon G laskutoimitus. Joukko G varustettuna tällä laskutoimituksella on ryhmä, jos laskutoimitus on assosiatiivinen,
Lisätiedotrenkaissa. 0 R x + x =(0 R +1 R )x =1 R x = x
8. Renkaat Tarkastelemme seuraavaksi rakenteita, joissa on määritelty kaksi assosiatiivista laskutoimitusta, joista toinen on kommutatiivinen. Vaadimme näiltä kahdella laskutoimituksella varustetuilta
LisätiedotEsitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:
MATP00 Johdatus matematiikkaan Ylimääräisten tehtävien ratkaisuehdotuksia. Osoita, että 00 002 < 000 000. Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa. Lähdetään sieventämään epäyhtälön
LisätiedotAnalyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004
Analyysi I Visa Latvala 3. joulukuuta 004 95 Sisältö 6 Kompleksiluvut 96 6.1 Yhteen- ja kertolasku.............................. 96 6. Napakoordinaattiesitys............................. 10 96 6 Kompleksiluvut
LisätiedotALGEBRA KEVÄT 2013 JOUNI PARKKONEN
ALGEBRA KEVÄT 2013 JOUNI PARKKONEN Algebra käsittelee laskemista. Osin tämä tarkoittaa numeroilla laskemista lukualueissa N, Z, Q, R, C laskutoimituksilla + ja ja niiden käänteisoperaatioilla ja / siinä
Lisätiedotjonka laskutoimitus on matriisien kertolasku. Vastaavasti saadaan K-kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä
4. Ryhmät Tässä luvussa tarkastelemme laskutoimituksella varustettuja joukkoja, joiden laskutoimitukselta oletamme muutamia yksinkertaisia ominaisuuksia: Määritelmä 4.1. Laskutoimituksella varustettu joukko
LisätiedotKompleksiluvut ja kvaterniot kiertoina
Kompleksiluvut ja kvaterniot kiertoina Heikki Polvinen Matematiikan pro gradu -tutkielma Jyväskylän yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos Syksy 0 Tiivistelmä: Heikki Polvinen, Kompleksiluvut
Lisätiedot1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2
Sisältö 1 Kompleksiluvut 1 1.1 Määritelmä............................ 1 1. Kertolasku suorakulmaisissa koordinaateissa.......... 4 1.3 Käänteisluku ja jakolasku..................... 9 1.4 Esimerkkejä.............................
LisätiedotMatematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät 3-6 4 sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto
Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät 3-6 4 sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto 3. Oletetaan, että kunnan K karakteristika on 3. Tutki,
LisätiedotKuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160
Kuvaus Määritelmä Oletetaan, että X ja Y ovat joukkoja. Kuvaus eli funktio joukosta X joukkoon Y on sääntö, joka liittää jokaiseen joukon X alkioon täsmälleen yhden alkion, joka kuuluu joukkoon Y. Merkintä
Lisätiedotk=1 b kx k K-kertoimisia polynomeja, P (X)+Q(X) = (a k + b k )X k n+m a i b j X k. i+j=k k=0
1. Polynomit Tässä luvussa tarkastelemme polynomien muodostamia renkaita polynomien ollisuutta käsitteleviä perustuloksia. Teemme luvun alkuun kaksi sopimusta: Tässä luvussa X on muodollinen symboli, jota
Lisätiedot802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita
802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2016 LUKUTEORIA 1 / 25 Lukujoukkoja N = {0, 1, 2,..., GOOGOL 10,...} = {ei-negatiiviset
LisätiedotLineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.
Lineaariavaruudet aiheita 1 määritelmä Nelikko (L, R, +, ) on reaalinen (eli reaalinen vektoriavaruus), jos yhteenlasku L L L, ( u, v) a + b ja reaaliluvulla kertominen R L L, (λ, u) λ u toteuttavat seuraavat
Lisätiedot{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja
5. Aliryhmät Luvun 4 esimerkeissä esiintyy usein ryhmä (G, ) ja jokin vakaa osajoukko B G siten, että (B, B ) on ryhmä. Määrittelemme seuraavassa käsitteitä, jotka auttavat tällaisten tilanteiden käsittelyssä.
Lisätiedot1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus
1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus 1.1 Määritelmä ja esimerkkejä Olkoon K kunta, jonka nolla-alkio on 0 ja ykkösalkio on 1 sekä V epätyhjä joukko. Oletetaan, että joukossa V on määritelty laskutoimitus
LisätiedotVektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on
13 Pistetulo Avaruuksissa R 2 ja R 3 on totuttu puhumaan vektorien pituuksista ja vektoreiden välisistä kulmista. Kuten tavallista, näiden käsitteiden yleistäminen korkeampiulotteisiin avaruuksiin ei onnistu
Lisätiedot802320A LINEAARIALGEBRA OSA I
802320A LINEAARIALGEBRA OSA I Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2016 LINEAARIALGEBRA 1 / 72 Määritelmä ja esimerkkejä Olkoon K kunta, jonka nolla-alkio on 0 ja ykkösalkio on 1 sekä
LisätiedotInsinöörimatematiikka D
Insinöörimatematiikka D M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi A. Lepistö alepisto@utu.fi Matematiikan ja tilastotieteen laitos Turun yliopisto 2016 M. Hirvensalo V. Junnila A. Lepistö
Lisätiedot1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.
ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.1 MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta 1. ja kompleksiluvut Nuutti Hyvönen, c Riikka Kangaslampi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto 8.9.015 Reaalinen
LisätiedotJohdatus matematiikkaan
Johdatus matematiikkaan Luento 6 Mikko Salo 6.9.2017 Sisältö 1. Kompleksitaso 2. Joukko-oppia Kompleksiluvut Edellisellä luennolla huomattiin, että toisen asteen yhtälö ratkeaa aina, jos ratkaisujen annetaan
LisätiedotMS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1
MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Kompleksiluvut Riikka Korte (muokannut Riikka Kangaslammen materiaalin pohjalta) Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto 5.11.2015 1 /
Lisätiedot1 Cli ordin algebra. Cli ordin algebron tai geometristen algebrojen tarkoitus on määritellä geometrinen tulo vektoriavaruudessa esim avaruudessa R n :
1 Cli ordin algebra Cli ordin algebron tai geometristen algebrojen tarkoitus on määritellä geometrinen tulo vektoriavaruudessa esim avaruudessa R n : Joukossa R voidaan määritellä summa ja tulo. Myöskin
LisätiedotMAT-41150 Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen
MAT-41150 Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen Tehtävä 1. Onko joukon X potenssijoukon P(X) laskutoimitus distributiivinen laskutoimituksen suhteen? Onko laskutoimitus distributiivinen laskutoimituksen
LisätiedotAlgebra I, harjoitus 5,
Algebra I, harjoitus 5, 7.-8.10.2014. 1. 2 Osoita väitteet oikeiksi tai vääriksi. a) (R, ) on ryhmä, kun asetetaan a b = 2(a + b) aina, kun a, b R. (Tässä + on reaalilukujen tavallinen yhteenlasku.) b)
LisätiedotLineaariset Lien ryhmät / Ratkaisu 1 D 355 klo ja D 381 klo b 0 1
JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Lineaariset Lien ryhmät 23.1.2012 / Ratkaisu 1 D 355 klo. 10.15-11.45 ja D 381 klo 16.15-17.45 1. Kompleksiluvut reaalisina matriiseina Kuvaus
LisätiedotMitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.
Polynomit Tarkastelemme polynomirenkaiden teoriaa ja polynomiyhtälöiden ratkaisemista. Algebrassa on tapana pitää erillään polynomin ja polynomifunktion käsitteet. Polynomit Tarkastelemme polynomirenkaiden
Lisätiedot802320A LINEAARIALGEBRA OSA III
802320A LINEAARIALGEBRA OSA III Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2016 LINEAARIALGEBRA 1 / 56 Määritelmä Määritelmä 1 Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V
LisätiedotMääritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.
1 Lineaarikuvaus 1.1 Määritelmä Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V W on lineaarinen, jos (a) L(v + w) = L(v) + L(w); (b) L(λv) = λl(v) aina, kun v, w V ja λ K. Termejä:
Lisätiedot1.1 Vektorit. MS-A0007 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n. 1. Vektorit ja kompleksiluvut
ja kompleksiluvut ja kompleksiluvut 1.1 MS-A0007 Matriisilaskenta 1. ja kompleksiluvut Nuutti Hyvönen, c Riikka Kangaslampi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto 26.10.2015 Reaalinen
LisätiedotVille Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007
Ville Turunen: Mat-1.1410 Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007 Materiaali: kirjat [Adams R. A. Adams: Calculus, a complete course (6th edition), [Lay D. C. Lay: Linear
Lisätiedot2017 = = = = = = 26 1
JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 2, MALLIRATKAISUT Tehtävä 1. Sovella Eukleiden algoritmia ja (i) etsi s.y.t(2017, 753) (ii) etsi kaikki kokonaislukuratkaisut yhtälölle 405x + 141y = 12. Ratkaisu
LisätiedotMAT Algebra 1(s)
8. maaliskuuta 2012 Esipuhe Tämä luentokalvot sisältävät kurssin keskeiset asiat. Kalvoja täydennetään luennolla esimerkein ja todistuksin. Materiaali perustuu Jyväskylän, Helsingin ja Turun yliopistojen
LisätiedotLineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141
Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II LM2, Kesä 2012 1/141 Kertausta: avaruuden R n vektorit Määritelmä Oletetaan, että n {1, 2, 3,...}. Avaruuden R n alkiot ovat jonoja, joissa on n kappaletta reaalilukuja.
Lisätiedot5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit
5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit Olkoon A = [a jk ] n n matriisi. Tarkastellaan vektoriyhtälöä Ax = λx, (1) missä λ on luku. Sellaista λ:n arvoa, jolla yhtälöllä on ratkaisu x 0, kutsutaan matriisin A
Lisätiedot[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko
3. Tekijälaskutoimitus, kokonaisluvut ja rationaaliluvut Tässä luvussa tutustumme kolmanteen tapaan muodostaa laskutoimitus joukkoon tunnettujen laskutoimitusten avulla. Tätä varten määrittelemme ensin
LisätiedotTehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.
JOHDATUS LUKUTEORIAAN syksy 017) HARJOITUS 6, MALLIRATKAISUT Tehtävä 1. Etsi Pellin yhtälön x Dy = 1 pienin positiivinen ratkaisu kun D {,, 5, 6, 7, 8, 10}. Ratkaisu 1. Tehtävässä annetuilla D:n arvoilla
LisätiedotKuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara
Kuvauksista ja relaatioista Jonna Makkonen Ilari Vallivaara 20. lokakuuta 2004 Sisältö 1 Esipuhe 2 2 Kuvauksista 3 3 Relaatioista 8 Lähdeluettelo 12 1 1 Esipuhe Joukot ja relaatiot ovat periaatteessa äärimmäisen
LisätiedotLineaarikuvauksen R n R m matriisi
Lineaarikuvauksen R n R m matriisi Lauseessa 21 osoitettiin, että jokaista m n -matriisia A vastaa lineaarikuvaus L A : R n R m, jolla L A ( v) = A v kaikilla v R n. Osoitetaan seuraavaksi käänteinen tulos:
LisätiedotTyyppi metalli puu lasi työ I 2 8 6 6 II 3 7 4 7 III 3 10 3 5
MATRIISIALGEBRA Harjoitustehtäviä syksy 2014 Tehtävissä 1-3 käytetään seuraavia matriiseja: ( ) 6 2 3, B = 7 1 2 2 3, C = 4 4 2 5 3, E = ( 1 2 4 3 ) 1 1 2 3 ja F = 1 2 3 0 3 0 1 1. 6 2 1 4 2 3 2 1. Määrää
LisätiedotOsoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.
LINEAARIALGEBRA Harjoituksia 2016 1. Olkoon V = R 2 varustettuna tavallisella yhteenlaskulla. Määritellään reaaliluvulla kertominen seuraavasti: λ (x 1, x 2 ) = (λx 1, 0) (x 1, x 2 ) R 2 ja λ R. Osoita,
Lisätiedot(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.
Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus. Tietyn ominaisuuden samuus -relaatio on ekvivalenssi; se on (1) refleksiivinen,
LisätiedotMatematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.
Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus. Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden
LisätiedotBijektio. Voidaan päätellä, että kuvaus on bijektio, jos ja vain jos maalin jokaiselle alkiolle kuvautuu tasan yksi lähdön alkio.
Määritelmä Bijektio Oletetaan, että f : X Y on kuvaus. Sanotaan, että kuvaus f on bijektio, jos se on sekä injektio että surjektio. Huom. Voidaan päätellä, että kuvaus on bijektio, jos ja vain jos maalin
Lisätiedot2. Geometrinen algebra dimensioissa kaksi ja kolme
. Geometrinen algebra dimensioissa kaksi ja kolme William Kingdon Cliord (1845-1879) esitteli geometrisen algebransa 1800- luvulla. Cliord yhdisti sisä- ja ulkotulot yhdeksi tuloksi, geometriseksi tuloksi.
LisätiedotKOMPLEKSIANALYYSIN KURSSI SYKSY 2012
KOMPLEKSIANALYYSIN KURSSI SYKSY 2012 RITVA HURRI-SYRJÄNEN 1. Kompleksiluvuista Kaksiulotteinen reaalinen vektoriavaruus R 2 koostuu lukupareista (x 1, x 2 ), missä x 1 ja x 2 ovat reaalilukuja, eli R 2
Lisätiedota b 1 c b n c n
Algebra Syksy 2007 Harjoitukset 1. Olkoon a Z. Totea, että aina a 0, 1 a, a a ja a a. 2. Olkoot a, b, c, d Z. Todista implikaatiot: a) a b ja c d ac bd, b) a b ja b c a c. 3. Olkoon a b i kaikilla i =
LisätiedotKompleksiluvut 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut
Kompleksiluvut 1/6 Sisältö Kompleksitaso Lukukäsitteen vaiheittainen laajennus johtaa luonnollisista luvuista kokonaislukujen ja rationaalilukujen kautta reaalilukuihin. Jokaisessa vaiheessa ratkeavien
LisätiedotRistitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti
14 Ristitulo Avaruuden R 3 vektoreille voidaan määritellä pistetulon lisäksi niin kutsuttu ristitulo. Pistetulosta poiketen ristitulon tulos ei ole reaaliluku vaan avaruuden R 3 vektori. Ristitulosta on
LisätiedotLuonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen
Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen LuK-tutkielma Jussi Piippo Matemaattisten tieteiden yksikkö Oulun yliopisto Kevät 2017 Sisältö 1 Johdanto 2 2 Esitietoja 3 2.1 Joukko-opin perusaksioomat...................
LisätiedotMatriisialgebra harjoitukset, syksy 2016
MATRIISIALGEBRA, s, Ratkaisuja/ MHamina & M Peltola 7 Onko kuvaus F : R R, F(x 1,x = (x 1 +x,5x 1, x 1 +6x lineaarinen kuvaus? Jos on, niin määrää sen matriisi luonnollisen kannan suhteen Jos ei ole, niin
LisätiedotMatematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista
Matematiikan johdantokurssi, syksy 06 Harjoitus, ratkaisuista. Valitse seuraaville säännöille mahdollisimman laajat lähtöjoukot ja sopivat maalijoukot niin, että syntyy kahden muuttujan funktiot (ks. monisteen
LisätiedotLineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus
Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus 1 / 51 Lineaarikombinaatio Johdattelua seuraavaan asiaan (ei tarkkoja määritelmiä): Millaisen kuvan muodostaa joukko {λv λ R, v R 3 }? Millaisen
LisätiedotMS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47
MS-A3/A5 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47 Tehtävä 1 (L): Oletetaan, että AB = AC, kun B ja C ovat m n-matriiseja. a) Näytä, että jos A on kääntyvä, niin B = C. b) Seuraako yhtälöstä AB = AC yhtälö
LisätiedotMatikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/81
Matikkapaja keskiviikkoisin klo 14-16 Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/81 Lineaarialgebra (muut ko) p. 2/81 Operaatiot Vektoreille u = (u 1,u 2 ) ja v = (v 1,v 2 ) Yhteenlasku: u+v = (u 1 +v 1,u 2 +v 2 )
LisätiedotTOOLS. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO TOOLS 1 / 28
TOOLS Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO 2018 TOOLS 1 / 28 Merkintöjä ja algebrallisia rakenteita Lukujoukkoja N = {0, 1, 2,..., GOOGOL 10,...} = {ei-negatiiviset kokonaisluvut}. TOOLS
Lisätiedot3 Skalaari ja vektori
3 Skalaari ja vektori Määritelmä 3.1 Skalaari on suure, jolla on vain suuruus, jota mitataan jossakin mittayksikössä. Skalaaria merkitään reaaliluvulla. Esimerkki 3.2 Paino, pituus, etäisyys, pinta-ala,
LisätiedotJohdatus matematiikkaan
Johdatus matematiikkaan Luento 5 Mikko Salo 5.9.2017 The natural development of this work soon led the geometers in their studies to embrace imaginary as well as real values of the variable.... It came
LisätiedotTämän luvun tarkoituksena on antaa perustaidot kompleksiluvuilla laskemiseen sekä niiden geometriseen tulkintaan. { (a, b) a, b œ R }
7 Kompleksiluvut Tämän luvun tarkoituksena on antaa perustaidot kompleksiluvuilla laskemiseen sekä niiden geometriseen tulkintaan. 7.1 Kompleksilukujen määritelmä Määritelmä 7.1.1. Kompleksilukujen joukko
Lisätiedota 2 ba = a a + ( b) a = (a + ( b))a = (a b)a, joten yhtälö pätee mielivaltaiselle renkaalle.
Harjoitus 10 (7 sivua) Ratkaisuehdotuksia/Martina Aaltonen Tehtävä 1. Mitkä seuraavista yhtälöistä pätevät mielivaltaisen renkaan alkioille a ja b? a) a 2 ba = (a b)a b) (a + b + 1)(a b) = a 2 b 2 + a
LisätiedotMS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45
MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus / vko 5 Tehtävä 1 (L): Hahmottele kompleksitasoon ne pisteet, jotka toteuttavat a) z 3 =, b) z + 3 i < 3, c) 1/z >. Yleisesti: ehto z = R, z C muodostaa kompleksitasoon
LisätiedotOminaisarvo ja ominaisvektori
Määritelmä Ominaisarvo ja ominaisvektori Oletetaan, että A on n n -neliömatriisi. Reaaliluku λ on matriisin ominaisarvo, jos on olemassa sellainen vektori v R n, että v 0 ja A v = λ v. Vektoria v, joka
LisätiedotHN = {hn h H, n N} on G:n aliryhmä.
Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8, 23.27.3.2009 5 sivua Rami Luisto 1. Osoita, että kullakin n N + lukujen n 5 ja n viimeiset numerot kymmenkantaisessa
LisätiedotMatematiikassa väitelauseet ovat usein muotoa: jos P on totta, niin Q on totta.
Väitelause Matematiikassa väitelauseet ovat usein muotoa: jos P on totta, niin Q on totta. Tässä P:tä kutsutaan oletukseksi ja Q:ta väitteeksi. Jos yllä oleva väitelause on totta, sanotaan, että P:stä
LisätiedotYhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia
Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia Voidaan osoittaa, että avaruuden R n vektoreilla voidaan laskea tuttujen laskusääntöjen mukaan. Huom. Lause tarkoittaa väitettä, joka voidaan perustella
Lisätiedot3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset
31 MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta 3 Nuutti Hyvönen, c Riikka Kangaslampi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto 2292015 Lineaariset yhtälöt ovat vektoreille luonnollisia yhtälöitä, joita
Lisätiedot9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa
9. Vektorit 9.1 Skalaarit ja vektorit Skalaari on koon tai määrän mitta. Tyypillinen esimerkki skalaarista on massa. Lukumäärä on toinen hyvä esimerkki skalaarista. Vektorilla on taas suuruus ja suunta.
Lisätiedot2 Kierto yleisesti peilausten avulla
1 Rotaatioista Viime kerralla nähtiin, että jokainen R 3 rotaatio voidaan esittää kvaternien avulla kuvauksena ρ y (x) = yxy, missä y = 1. Lemma 1.1. Kuvaus ρ : S 3 SO(3), missä ρ(y) = ρ y on surjektiivinen
LisätiedotKompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57
Kompleksiluvut, 15. kesäkuuta 2017 1/57 Miksi kompleksilukuja? Reaaliluvut lukusuoran pisteet: Tiedetään, että 7 1 0 x 2 = 0 x = 0 1 7 x 2 = 1 x = 1 x = 1 x 2 = 7 x = 7 x = 7 x 2 = 1 ei ratkaisua reaalilukujen
LisätiedotKOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut
KOMPLEKSILUVUT C Luonnolliset luvut N Kokonaisluvut Z Rationaaliluvut Q Reaaliluvut R Kompleksi luvut C Negat kokonaisluvut Murtoluvut Irrationaaliluvut Imaginaariluvut Erilaisten yhtälöiden ratkaiseminen
LisätiedotInsinöörimatematiikka D
Insinöörimatematiikka D M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Matematiikan ja tilastotieteen laitos Turun yliopisto 2015 M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot
LisätiedotMatriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä
Matriisien tulo Lause Olkoot A, B ja C matriiseja ja R Tällöin (a) A(B + C) =AB + AC, (b) (A + B)C = AC + BC, (c) A(BC) =(AB)C, (d) ( A)B = A( B) = (AB), aina, kun kyseiset laskutoimitukset on määritelty
LisätiedotAlgebra I, Harjoitus 6, , Ratkaisut
Algebra I Harjoitus 6 9. 13.3.2009 Ratkaisut Algebra I Harjoitus 6 9. 13.3.2009 Ratkaisut (MV 6 sivua 1. Olkoot M ja M multiplikatiivisia monoideja. Kuvaus f : M M on monoidihomomorfismi jos 1 f(ab = f(af(b
LisätiedotMatematiikan tukikurssi
Matematiikan tukikurssi Kurssikerta 9 1 Implisiittinen derivointi Tarkastellaan nyt yhtälöä F(x, y) = c, jossa x ja y ovat muuttujia ja c on vakio Esimerkki tällaisesta yhtälöstä on x 2 y 5 + 5xy = 14
Lisätiedot1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit
1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit Olkoon A = [a jk ] n n matriisi. Tarkastellaan vektoriyhtälöä Ax = λx, (1) 1 missä λ on luku. Sellaista λ:n arvoa, jolla yhtälöllä on ratkaisu x 0, kutsutaan matriisin
LisätiedotInsinöörimatematiikka D
Insinöörimatematiikka D M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Matematiikan ja tilastotieteen laitos Turun yliopisto 2015 M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot
Lisätiedotx = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );
LINEAARIALGEBRA Harjoituksia, Syksy 2016 1. Olkoon n Z +. Osoita, että (R n, +, ) on lineaariavaruus, kun vektoreiden x = (x 1,..., x n ), y = (y 1,..., y n ) identtisyys, yhteenlasku ja reaaliluvulla
Lisätiedot3. Kirjoita seuraavat joukot luettelemalla niiden alkiot, jos mahdollista. Onko jokin joukoista tyhjä joukko?
HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia Tehtäväsarja I Seuraavat tehtävät liittyvät luentokalvoihin 1 14. Erityisesti esimerkistä 4 ja esimerkin
LisätiedotTehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan erilaisia todistustekniikoita. Luentokalvoista 11, sekä voi olla apua.
HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 2 Ratkaisuehdotuksia Tehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan erilaisia todistustekniikoita. Luentokalvoista 11, 15-17
LisätiedotIlkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Liite 1: Joukko-oppi
Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Liite 1: Joukko-oppi TKK (c) Ilkka Mellin (2007) 1 Joukko-oppi >> Joukko-opin peruskäsitteet Joukko-opin perusoperaatiot Joukko-opin laskusäännöt Funktiot Tulojoukot
LisätiedotMatematiikan peruskurssi 2
Matematiikan peruskurssi Demonstraatiot III, 4.5..06. Mikä on funktion f suurin mahdollinen määrittelyjoukko, kun f(x) x? Mikä on silloin f:n arvojoukko? Etsi f:n käänteisfunktio f ja tarkista, että löytämäsi
LisätiedotKurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.
HY / Avoin ylioisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 05 Harjoitus 6 Ratkaisut palautettava viimeistään tiistaina.6.05 klo 6.5. Huom! Luennot ovat salissa CK maanantaista 5.6. lähtien. Kurssikoe on
Lisätiedot3 Suorat ja tasot. 3.1 Suora. Tässä luvussa käsitellään avaruuksien R 2 ja R 3 suoria ja tasoja vektoreiden näkökulmasta.
3 Suorat ja tasot Tässä luvussa käsitellään avaruuksien R 2 ja R 3 suoria ja tasoja vektoreiden näkökulmasta. 3.1 Suora Havaitsimme skalaarikertolaskun tulkinnan yhteydessä, että jos on mikä tahansa nollasta
LisätiedotVektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori
Vektorialgebra 1/5 Sisältö Skalaaritulo Vektoreiden yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen lisäksi vektoreiden välille voidaan määritellä myös kertolasku. Itse asiassa näitä on kaksi erilaista. Seurauksena
LisätiedotKantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen
Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen Lause 18 Oletetaan, että V ja W ovat vektoriavaruuksia. Oletetaan lisäksi, että ( v 1,..., v n ) on avaruuden V kanta ja w 1,..., w n W. Tällöin
LisätiedotMääritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )
Määritelmä 519 Olkoon T i L V i, W i, 1 i m Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m h v 1 v 2 v m T 1 v 1 T 2 v 2 T m v m 514 sanotaan olevan kuvausten T 1,, T m indusoima ja sitä
LisätiedotLineaariset kongruenssiyhtälöryhmät
Lineaariset kongruenssiyhtälöryhmät LuK-tutkielma Jesse Salo 2309369 Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto Sisältö Johdanto 2 1 Kongruensseista 3 1.1 Kongruenssin ominaisuuksia...................
Lisätiedotx = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );
LINEAARIALGEBRA Ratkaisuluonnoksia, Syksy 2016 1. Olkoon n Z +. Osoita, että (R n, +, ) on lineaariavaruus, kun vektoreiden x = (x 1,..., x n ), y = (y 1,..., y n ) identtisyys, yhteenlasku ja reaaliluvulla
LisätiedotMAT Algebra I (s) periodeilla IV ja V/2009. Esko Turunen
MAT-41150 Algebra I (s) periodeilla IV ja V/2009. Esko Turunen Tämä tiedosto sisältää kurssin kaikki laskuharjoitukset. viikottain uusia tehtäviä. Tiedostoon lisätään To 05.02.09 pidetyt harjoitukset.
LisätiedotTeema 4. Homomorfismeista Ihanne ja tekijärengas. Teema 4 1 / 32
1 / 32 Esimerkki 4A.1 Esimerkki 4A.2 Esimerkki 4B.1 Esimerkki 4B.2 Esimerkki 4B.3 Esimerkki 4C.1 Esimerkki 4C.2 Esimerkki 4C.3 2 / 32 Esimerkki 4A.1 Esimerkki 4A.1 Esimerkki 4A.2 Esimerkki 4B.1 Esimerkki
LisätiedotRollen lause polynomeille
Rollen lause polynomeille LuK-tutkielma Anna-Helena Hietamäki 7193766 Matemaattisten tieteiden tutkinto-ohjelma Oulun yliopisto Kevät 015 Sisältö 1 Johdanto 1.1 Rollen lause analyysissä.......................
LisätiedotHY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo
HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina 10.8.2015 klo 16.15. Tehtäväsarja I Tutustu lukuun 15, jossa vektoriavaruuden
LisätiedotAlgebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)
Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin ( sivua).... Nämä ovat kurssin Algebra I harjoitustehtävien ratkaisuehdoituksia. Ratkaisut koostuvat kahdesta osiosta,
Lisätiedot1. Osoita, että joukon X osajoukoille A ja B on voimassa toinen ns. de Morganin laki (A B) = A B.
HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia Tehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan muun muassa kahden joukon osoittamista samaksi sekä joukon
Lisätiedot