Lineaariset Lien ryhmät / Ratkaisu 1 D 355 klo ja D 381 klo b 0 1

Samankaltaiset tiedostot
MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO

H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

x = 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 );

Determinantti 1 / 30

x = 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 );

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Insinöörimatematiikka D

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

Insinöörimatematiikka D

y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

Teema 4. Homomorfismeista Ihanne ja tekijärengas. Teema 4 1 / 32

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

1. Normi ja sisätulo

Insinöörimatematiikka D

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Lineaariset Lien ryhmät / Ratkaisut 6 D 381 klo

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Johdatus matematiikkaan

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

BM20A0700, Matematiikka KoTiB2

Kompleksiluvut ja kvaterniot kiertoina

Ennakkotehtävän ratkaisu

1 Avaruuksien ja lineaarikuvausten suora summa

9 Matriisit. 9.1 Matriisien laskutoimituksia

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

Käänteismatriisi 1 / 14

Insinöörimatematiikka D

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

x = 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 );

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Ominaisarvo ja ominaisvektori

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

3. Kirjoita seuraavat joukot luettelemalla niiden alkiot, jos mahdollista. Onko jokin joukoista tyhjä joukko?

Tämän luvun tarkoituksena on antaa perustaidot kompleksiluvuilla laskemiseen sekä niiden geometriseen tulkintaan. { (a, b) a, b œ R }

Insinöörimatematiikka D

Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/81

3x + y + 2z = 5 e) 2x + 3y 2z = 3 x 2y + 4z = 1. x + y 2z + u + 3v = 1 b) 2x y + 2z + 2u + 6v = 2 3x + 2y 4z 3u 9v = 3. { 2x y = k 4x + 2y = h

(1.1) Ae j = a k,j e k.

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Johdatus lineaarialgebraan

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Avaruuden R n aliavaruus

C = {(x,y) x,y R} joiden joukossa on määritelty yhteen- ja kertolasku seuraavasti

1.1. Määritelmiä ja nimityksiä

jonka laskutoimitus on matriisien kertolasku. Vastaavasti saadaan K-kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I, HY Kurssikoe Ratkaisuehdotus. 1. (35 pistettä)

Lineaariset yhtälöryhmät ja matriisit

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

Algebra 1, harjoitus 9, h = xkx 1 xhx 1. a) Käytetään molemmissa tapauksissa isomorfialausetta. Tarkastellaan kuvauksia

Matriisit, L20. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Mikäli huomaat virheen tai on kysyttävää liittyen malleihin, lähetä viesti osoitteeseen

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

Matriisit, kertausta. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

A = a b B = c d. d e f. g h i determinantti on det(c) = a(ei fh) b(di fg) + c(dh eg). Matriisin determinanttia voi merkitä myös pystyviivojen avulla:

Ortogonaalisen kannan etsiminen

Matriisit, L20. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

Matematiikka B2 - TUDI

6 Vektoriavaruus R n. 6.1 Lineaarikombinaatio

Talousmatematiikan perusteet: Luento 10. Matriisien peruskäsitteet Yksinkertaiset laskutoimitukset Matriisitulo Determinantti

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Analyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

i=1 Näistä on helppo näyttää ominaisuudet (1)-(4). Ellei toisin mainita, käytetään R n :ssä

Insinöörimatematiikka D

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

Transkriptio:

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 C (2 2 -matriisien rengas: z a + bi a + b on injektiivinen rengashomomorfismi, siis isomorfismi kuvajoukolleen, joka siis on kompleksilukujen kanssa isomorfinen kunta. Kompleksiluvut voi siis samaistaa tätä muotoa oleviin reaalisiin 2 2 -matriiseihin. 1. a Totea, että a + bi det(a + bi b Todista edellisen avulla, että kompleksilukujen normi eli itseisarvo on multiplikatiivinen, ts. z 1 z 2 z 1 z 2. c Totea, että kompleksiluvun z a + bi kompleksikonjugaatti z on vastaavan matriisin transpoosi. d Mitä matriiseja vastaavat reaaliluvut? e Mitä matriisia vastaa z z? Mitä huomaat? f Onko edellä mainittu isomorfismi ainoa tapa upottaa C alirenkaaksi kaikkien 2 2-matriisien renkaaseen? (Älä mieti liikaa: Muita emme ainakaan käytä. a a + bi a 2 + b 2 det b z 1 z 2 det(z 1 det(z 2 det(z 1 det(z 2 det(z 1 ( det(z 2 z 1 z 2. a b c z a + bi. Kompleksikonjugaatti z a bi. a 0 d a a + 0i a a1. 0 a a e z z 2 + b 2 0 0 a 2 + b 2 z 2 1. Huomaan, että näinkin voi todistaa, että z z z. f Keksitään toinen tapa upottaa C alirenkaaksi kaikkien 2 2-matriisien renkaaseen. Upottaminen tarkoittaa injektiivistä rengashomomorfismia. Ykkösen kuvan on siis oltava ykkönen ja i:n kuvaksi on saatava jokin matriisi J, joka itsellään kerrottuna on on miinus ykkösmatriisi. Kun tämä on löydetty/valittu, isomorfismiksi määräytyy (reaalilineaarisuutensa perusteella kuvaus a + bi 1 + bj. Edellä valitun lisäksi kelpaa ainakin. Onko muita? Etsitään kaikki. Tehtäväksi jää määrätä

reaaliset 2 2 matriisit J, joiden neliö on J 2 1, eli ratkaista matriisiyhtälö a b. c d c d a 2 + bc (a + db c(a + d cb + d 2. Neljän yhtälön ja neljän tuntemattoman epälineaarinen yhtälöryhmä. Jos olisi a+d 0, niin bc0 ja siis a 2 d 2 1, mikä on mahdotonta, koska a, b, c, d R. Siis a + d 0 eli d a ja matriisiyhtälöksi jää a 2 + bc 0 0 a 2 + bc eli a 2 bc 1. Mahdollisia ehdokkaita ( imaginaariyksikköä i edustavaksi matriisiksi a b ovat siis tasan kaikki sellaiset J, joilla a c a 2 bc 1 eli det J 1. 2. Kompleksilukua z a + bi vastaavalla matriisilla kertominen on reaalisen 4- ulotteisen vektoriavaruuden R 4 reaalilineaarikuvaus itselleen, joten sillä on näin tulkittuna 4 4-matriisi. Määrää se. { } 0 0 0 0 Käytämme luonnollista kantaa,,,,. Riittää laskea näiden kuvat (näiden lineaarikombinatioina, mikä tulee luonnostaan. 0 0 0 0 a 0 (a, 0, b, 0 0 0 b 0 0 a (0, a, 0, b 0 0 0 b 0 0 b 0 ( b, 0, a, 0 ( ( 0 0 a 0 (0, b, 0, a ( 0 b 0 a Kirjoittamalla kantavektorien kuvat sarakkeiksi saadaan pyydetty matriisi a 0 b 0 0 a 0 b b 0 a 0 0 b 0 a 2 3. Kaikkien 2 2-matriisien rengas on reaalisena vektoriavaruutena tietenkin helposti ( samaistettavissa avaruuteen R 4 lineaari-isomorfismina esimerkiksi (a, b, c, d a c. Tunnetulla tavalla R b d 4 on euklidinen avaruus, siis sisätuloavaruus ja siis edelleen normiavaruus ja metrinen ja lopulta topologinen avaruus. Osoita, että edellisen tehtävän isomorfismin mielessä: a C on R 4 :n vektorialiavaruus (joten se perii sisätulon, normin ja topologian.

b Onko kompleksiluvun z itseisarvo on sama asia kuin vektorin z R 4 normi? c Yksikkökompleksiluvulla z cos ϕ+i sin ϕ kertominen on (reaalisen, 2-ulotteisen tason C R 4 kierto ja jos ϕ π, (tehtävää korjattu niin se kuvaa avaruudessa C 2 1-ulotteisen aliavaruuden R ortogonaalikomplementikseen {x C (x y 0 x R}. a Kuvaus C on R 4 :n vektorialiavaruus, sillä kuvaus C (2 2 -matriisien rengas: z a + bi a + b on injektiivinen rengashomomorfismi, siis isomorfismi kuvajoukolleen, joka on kompleksilukujen kanssa isomorfinen kunta ja jonka samaistimme kompleksilukuihin. Tässä tehtävässä C tarkoittaa tuota kuvajoukkoa ja sisältää siis alkioidensa summat ja erotukset (lisäksi myös tulot ja muiden kuin nollan käänteiset. Tietenkin se sisältää nollamatriisin. Matriisin kertominen reaaliluvullakaan ei vie ulos tuosta kuvajoukosta, sillä reaaliluvut ovat kompleksilukuja. b Kompleksiluvun z itseisarvo on z a 2 + b 2. Vektorin z R 4 normi on a 2 + b 2 + b 2 + a 2 2 z, siis ei ihan sama normi, mutta vakiokerrointa vaille sama. c Kohdan b:n nojalla C on myös R 4 :n osajoukkona sama normiavaruus kuin tavallisesti, paitsi että kaikkien vektorien pituudeksi on sovittu 2 kertaa isompi luku. Siksi kierrot ja ortogonaalisuus säilyttävät alkuperäisen merkityksensä ja siis kompleksiluvulla z cos ϕ + i sin ϕ kertominen on myös (reaalisen, 2-ulotteisen tason C R 4 kierto ja jos ϕ π, niin se suoraan kulman suuruisena kiertona tietenkin kuvaa avaruudessa C 1-ulotteisen aliavaruuden R ortogonaalikomplementikseen 2 {x C (x y 0 x R}. Korkeintaan voi moittia tehtävänantoa siitä, että sanomme edelleen lukua z cos ϕ + i sin ϕ yksikkökompleksiluvuksi, vaikka sen normi neliulotteisessa tulkinnassa onkin 1. Enpä tullut huomanneeksi tuota normin muuttumista - eihän koko avaruuden mittakaavalla juuri ole merkitystäkään geometriassa. 3 4. a Osoita, että kompleksilukujonon konvergenssi z n z vastaa matriisien z n R 4 jonon suppenemista avaruuden R 4 euklidisessa topologiassa eli tavallisessa mielessä. b Osoita, että kompleksilukujonon konvergenssi z n z vastaa matriisien z n R 4 jonon suppenemista alkioittain eli siinä mielessä, että (reaalisille 2 2-matriiseille A n A (A n 11 A 11, (A n 12 A 12, (A n 21 A 21 ja (A n 22 A 22. a seuraa edellisen tehtävän b-kohdasta. b Yleensäkin R n :ssä x (x 1,..., x n y (y 1,..., y n x j y j j 1,..., n. Tämän todistamiseksi riittää tutkia tapaus y 0 eli x n 0. Katsotaan kumpikin suunta erikseen.

4 x (x 1,..., x n 0 (0,..., 0 x j 0 j 1,..., n, sillä n 0 x j x 2j x 2 j x 2 0. x j 0 j 1,..., n x (x 1,..., x n 0 (0,..., 0, sillä x 2 n j1 j1 x 2 j n max 1 j n x2 j 0. 2. Kvaterniot reaalisina matriiseina Kuvaus H kompleksisten (2 2 -matriisien rengas: a + id b ic a+bi+cj+dk a +b b ic a id ( +c 0 i i 0 +d i 0 0 i on injektiivinen rengashomomorfismi, siis isomorfismi kuvajoukolleen, joka siis on kvaternioidenen kanssa isomorfinen vinokunta. Kvaterniot voi siis samaistaa tätä muotoa oleviin kompleksisiin 2 2 -matriiseihin, erityisesti 0 i i 0 1, i, j ja k. i 0 0 i Näin teemme seuraavassa. 5. a Osoita, että Hamiltonin alkuperäisen kvaternioiden määritelmän ehdot i 2 j 2 k 2 ijk 1 pätevät näille matriiseille. Neliöt on helppo laskea ja 0 i i 0 i 0 i 0 ijk 1. i 0 0 i 0 i 0 i i 0 Juuri yllä laskettiin jo ij k. Yhtä helposti lasketaan matriisit kertomalla 0 i muutkin, mm. ki j sekä edelleen esimerkiksi i 0 0 i ik j. 0 i i 0 Näille kantakvaternioille pätee siis qr rq, kun ( r q. Tulkinta: C on upotettu H:hon valitsemalla 1 ja i i. Olemme siis kompleksi- i-ksi valinneet tämän -1:n neliöjuuren eli imaginaariyksikön, vaikka niistä kvaternioissa olisi ollut valinnan varaa, esimerkiksi j tai k. (Huomaa, että vinokunnassa siis polynomilla voi olla enemmän juuria kuin sen aste ilmaisee. Ks. myös lisätehtävä ratkaisujen lopussa.

b Koska kompleksiluvut on samaistettu reaalisiin 2 2 -matriiseihin, voi kvaterniot samaistaa reaalisiin 4 4 -matriiseihin, siis 5 a d b c a d a + id b ic a+bi+cj+dk d a c b b ic a id b c a d d a b c c b d a c b b c a d c b d a Tulkintaa: Käytämme monesta syystä mieluummin kompleksista esitystapaa, mutta kvaterniot voi siis tulkita (paitsi kompleksilineaarikuvauksiksi C 2 C 2 myös reaalilineaarikuvauksiksi R 4 R 4, siis reaalisiksi matriiseiksi, joita tällä kurssilla käsitellään. Yllä esitetty triviaali tapa ei ole sama samaistus kuin luennolla käytetty, jossa kvaternio samaistettiin konjugointiin kvaternioiden ryhmässä H, joka samalla on lineaarikuvaus siinä reaalisessa vektoriavaruudessa H R 4, jossa kantavektoreina ovat kvaterniot 1, i, j ja k. Konjugointi osoittautui jo geometrisesti merkityksellisemmäksi, koska se antoi tulkinnan imaginaaristen kvaternioiden kolmiulotteisen avaruuden rotaatioina. a Totea, että kvaternionormin neliö a+bi+cj+dk 2 a 2 +b 2 +c 2 +d 2 on sama kuin vastaavan kompleksisen 2 2 -matriisin determinantti ja kvaternioidenkin normi on siis multiplikatiivinen: qq q q. Huomaa, että kvaternionormi tietenkin antaa euklidisen metriikan, kun tulkitaan yksinkertaisesti a + bi + cj + dk (a, b, c, d R 4. a + id b ic det (a + id(a id (b ic( b ic (a + id(a id + b ic a id (b ic(b + ic a 2 (id 2 + b 2 (ic 2 a 2 + d 2 + b 2 + c 2 q 2. b Totea, että kvaternion q a + bi + cj + dk konjugaatti q a bi cj dk on vastaavan matriisin kompleksikonjugaatin transpoosi. a + id b ic Kvaterniota q a + bi + cj + dk vastaavan matriisin kompleksikonjugaatti on tarkoitettu otettavaksi termeittäin ja se on siis. b ic a id a id b + ic b ic a + id a id b ic Tämän transpoosi on, joka tosiaan saadaan alkuperäisestä korvaamalla a, b ja c vastaluvuillaan. b + ic a + id c Mitä kompleksisia 2 2-matriiseja vastaavat reaaliluvut? a + id b ic Reaaliluvut vastaavat niitä kompleksisia 2 2-matriiseja, joilla b ic a id a 0 b c d 0 eli a a1. 0 a d Mitä kompleksista 2 2- matriisia vastaa q q? Mitä huomaat?

a + id b ic a id b ic q q b ic a id b + ic a + id (a + id(a id + ( b ic( b + ic (a + id(b + ic + ( b ic(a + id (b ic(a id + (a id(a + id (b ic(b ic + (a id(a + id a 2 + d 2 + b 2 + c 2 0 0 b 2 + c 2 + a 2 + b 2 (a 2 + b 2 + c 2 + d 2 1. q 2 kuten luvuilla. 6 6. Määrää kvaterniota q 1 + i vastaava a kompleksinen 2 2 -matriisi b sitä vastaava reaalinen 4 4 -matriisi (syötä äskeiseen kompleksiluvut reaalisina 2 2-matriiseina. c reaalinen 4 4 -matriisi edellisen tehtävän mielessä d kuvausta H H : q qq vastaava reaalinen 4 4 -matriisi e kuvausta H H : q q q vastaava reaalinen 4 4 -matriisi f kuvausta H H : q qq q 1 vastaava reaalinen 4 4 -matriisi 1 1 1 1 a q 1 + i 1 + 0i 1 + 0i b q 1 + i ( ( 1 + 0i 1 + 0i 0 1 c Kuten b. (Vahingossa sama tehtävä kahdesti d 0 1 0 1 Kuvaus H H : q qq on a + bi + cj + dk (1 + i(a + bi + cj + dk (a + bi + cj + dk + i(a + bi + cj + dk (a + bi + cj + dk + (ai b + ck dj (a b + (a + bi + (c dj + (d + ck, mistä näkee kantavektorien 1, i, j, k kuvat, jotka kirjoitetaan sarakkeiksi saaden 1 0 1 0 0 1. 0 1 e Kuvaus H H : q q q on a + bi + cj + dk (a + bi + cj + dk(1 + i (a + bi + cj + dk + (a + bi + cj + dki (a + bi + cj + dk + (ai b ck + dj (a b + (a + bi + (c + dj + (d ck, mistä näkee kantavektorien 1, i, j, k kuvat,

jotka kirjoitetaan sarakkeiksi saaden 1 0 1 0 0 1. 0 1 f Käyttäen käänteisen lauseketta ja d-kohdan tulosta saadaan, että kuvaus H H : q qq q 1 on a + bi + cj + dk (1 + i(a + bi + cj + dk(1 + i 1 ((a b + (a + bi + (c dj + (d + ck 1 (1 i 2 1 (((a b + (a + bi + (c dj + (d + ck ((a b + (a + bi + (c dj + (d + cki 2 (a b + (a + bi + (c dj + (d + ck + (b ai + (a + b + (c dk (c + dj 1 2 2( 1 (2a + (2bi + ( 2dj + (2ck a + bi dj + ck, mistä näkee kantavektorien 1, i, j, k kuvat, jotka kirjoitetaan sarakkeiksi saaden 0 0 0 0 0 0. 0 0 Toinen tapa: Käytetään ensin hyväksi sitä, että i:n kaikki (pos ja neg potenssit kommutoivat ja lasketaan sitten kuten edellä: H H : q qq q 1 on a + bi + cj + dk (1 + i(a + bi + cj + dk(1 + i 1 (1 + ia(1 + i 1 + (1 + ibi(1 + i 1 + (1 + icj(1 + i 1 + (1 + idk(1 + i 1 a + bi + c(1 + ij(1 + i 1 + d(1 + ik(1 + i 1 a + bi + c(1 + ij(1 i + d (1 + ik(1 i 2 2 a + bi + c(j + k(1 i + d (k j(1 i 2 2 a + bi + c(j + k + k j + d (k j j k 2 2 a + bi + dj + ck, mistä näkee kantavektorien 1, i, j, k kuvat kuten yllä. Kolmas tapa: Laske kantavektorien kuvat erikseen. (Suunnilleen sama vaiva, mutta vie vähän enemmän tilaa. 7. Suomenna ja todista tai kumoa: The quaternions 1, i, j and k form a non-abelian group of order eight (with multiplication as the group operation. Kvaterniot 1, i, j ja k muodostavat (oikeammin: virittävät! epäkommutatiivisen 8- alkioisen ryhmän, jossa laskutoimituksena on (kvaternioiden kertolasku. Väite sanoo siis, että aliryhmä i, j, k H on epäkommutatiivinen ja 8 -alkioinen. Epäkommutatiivisuuden toteamiseksi riittää huomata, että ij ji. Aliryhmään i, j, k H kuuluvat tietenkin annetut 3 kvaterniota ja ykkösalkio 1. Lisäksi siihen kuuluvat annettujen käänteiset i, j ja k ja neliöt, jotka ovat 1. Näin 1, i, j, k, 1, i, j, k i, j, k. Mutta tässä on **, sillä löydettyjen 8 alkion tulot (64 kpl, mutta voi vähän niputella ja käänteiset kuuluvat kaikki joukkoon {1, i, j, k, 1, i, j, k}, joka siis on aliryhmä. 7

8. Kompleksiluvun z C kompleksikonjugaatin, normin ja käänteisluvun välillä on yhteys: z 1 z z 2. Päteekö samanlainen kaava kvaternioille? Pätee. Oli jo edellä! 9. Täydentävä tehtävä: Olkoon u H imaginaarinen yksikkökvaternio. (u niin kuin unit length. Osoitetaan, että u 2 1, joten kvaterniovinokunnassa voi 2. asteeen yhtälöllä olla monta ratkaisua. Koska i, j ja k ovat ortogonaalisia (ovathan niiden sisätulotut eli tulojen reaaliosat nollia, niin u ai+bj+ck siten, että u 2 a 2 +b 2 +c 2 1. Siis u 2 (ai+bj+ck 2 a 2 i 2 +b 2 j 2 +c 2 k 2 +ab(ij + ji+ac(ik + kj+bc(jk + kj a 2 b 2 c 2 +0+0+0 1. 10. Ja vielä voi kysellä: Miksi kvaternion käänteinen on hyvin määritelty, siis oikean- ja vasemmanpuoleinen käänteinen ovat samat? Vastaus: Näinhän ryhmässä käy, kun molemmat ovat olemassa. Ja neliömatriisihan on kääntyvä, kun sillä on edes toinen! Lopuksi. Kaikenlaista tietoa kvaternioista löytyy mm sivulta http://nethelper.com/article/quaternions#multiplication of basis elements 8