四元数



          四元数是最简单的超复数复数是由实数加上元素 i 组成,其中i^2 = -1。 相似地,四元数都是由实数加上三个元素 i、j、k 组成,而且它们有如下的关系: i^2 = j^2 = k^2 = -1 , 每个四元数都是 1、i、j 和 k 的线性组合,即是四元数一般可表示为a + bi + cj + dk,其中a、b、c 、d是实数。


       以两种形式来描述四元数。其中一种是向量与标量的结合,另一形式两个创建量(constructor)与双向量(bivector;i、j与k)的结合。

定义两个四元数:

       


其中表示矢量<b, c, d>,而表示矢量<x, y, z>.



      矩阵表示

有两种方法能以矩阵表示四元数,并以矩阵之加法、乘法应用于四元数之加法、乘法。
第一种是以二阶复数矩阵表示。若 h = a + bi + cj + dk 则它的复数形式为:
这种表示法有如下优点:
所有复数 (c = d = 0) 就相应于一个实矩阵。
四元数的 绝对值的平方就等于矩阵的 行列式。
四元数的共轭值就等于矩阵的 共轭转置。
对于单位四元数 (|h| = 1)而言,这种表示方式给了四维球体和SU(2)之间的一个同型,而后者对于量子力学中的 自旋的研究十分重要。(请另见 泡利矩阵)
第二种则是以四阶实数矩阵表示:
其中四元数的共轭等于矩阵的转置。

运算

综述

四元数运算在 电动力学与 广义相对论中有广泛的应用。四元数可以用来取代 张量表示。有时候采用带有复数元素之四元数会比较容易,导得结果不为除法代数之形式。然而亦可结合共轭运算以达到相同的运算结果。
此处仅讨论具有实数元素之四元数,并将以两种形式来描述四元数。其中一种是向量与 纯量的结合,另一形式两个创建量(constructor)与双向量(bivector;i、j与k)的结合。
定义两个四元数:
其中
表示矢量
;而
表示矢量

四元数加法:p + q

跟复数、向量和矩阵一样,两个四元数之和需要将不同的元素加起来。
加法遵循实数和复数的所有交换律和结合律。

四元数乘法:pq

两个四元数之间的非可换乘积通常被 格拉斯曼(Hermann Grassmann)称为积,这个积上面已经简单介绍过,它的完整型态是︰
由于四元数乘法的非可换性,pq并不等于qp。格拉斯曼积常用在描述许多其他代数函数。qp乘积的向量部分是:

四元数点积: p · q

点积也叫做欧几里德内积,四元数的点积等同于一个四维向量的点积。点积的值是p中每个元素的数值与q中相应元素的数值的乘积的和。这是四元数之间的可换积,并返回一个 标量。
点积可以用格拉斯曼积的形式表示:
这个积对于从四元数分离出一个元素有用。例如,i项可以从p中这样提出来:

四元数外积:Outer(p,q)

欧几里德外积并不常用; 然而因为外积和内积的格拉斯曼积形式的相似性,它们总是一同被提及:

四元数偶积:Even(p,q)

四元数偶积也不常用,但是它也会被提到,因为它和奇积的相似性。它是纯对称的积;因此,它是完全可交换的。

叉积:p × q

四元数叉积也称为奇积。它和向量叉积等价,并且只返回一个向量值:

四元数转置:p−1

四元数的转置通过
被定义。它定义在上面的定义一节,位于属性之下(注意变量记法的差异)。其建构方式相同于复倒数(complex inverse)之构造:
一个四元数的自身点积是个纯量。四元数除以一个纯量等效于乘上此纯量的倒数,而使四元数的每个元素皆除以此一除数。

四元数除法:p−1q

四元数的不可换性导致了
的不同。这意味着除非p是一个标量,否则不能使用q/p这一符号。

四元数纯量部:Scalar(p)

四元数的标量部分可以用前面所述的点积来分离出来:

四元数向量部:Vector(p)

四元数的向量部分可以用外积提取出来,就象用点积分离标量那样:

四元数模:|p|

四元数的绝对值是四元数到原点的距离。

四元数符号数:sgn(p)

一复数之符号数乃得出单位圆上,一个方向与原复数相同之复数。四元数的符号数亦产生单位四元数:

四元数辐角:arg(p)

幅角函数可找出一4-向量四元数偏离单位纯量(即:1)之角度。此函数输出一个纯量角度。




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