数学において、フルヴィッツの定理は、アドルフ・フルヴィッツの定理であり、1923年に死後発表されたもので、非退化正定値二次形式を備えた有限次元単位実非結合代数のフルヴィッツ問題を解決するものである。この定理は、二次形式が代数の非零部分における正の実数への準同型を定義するならば、その代数は実数、複素数、四元数、または八元数と同型でなければならず、他の可能性は存在しないことを述べている。このような代数は、フルヴィッツ代数と呼ばれることもあり、合成代数の例である。
合成代数の理論はその後、任意の二次形式と任意の体へと一般化されました。[ 1 ]フルヴィッツの定理は、平方和の乗法式は 1、2、4、8 次元でのみ発生することを示唆しており、これはもともと1898 年にフルヴィッツによって証明された結果です。これは、ラドン (1922)でも解決されたフルヴィッツ問題の特殊なケースです。次元の制限に関するその後の証明は、有限群の表現論を使用してエックマン (1943)によって、また クリフォード代数を使用してリー (1948)とシュヴァレー (1954)によって与えられました。フルヴィッツの定理は、代数トポロジーでは球面上のベクトル場と古典群のホモトピー群の問題に[ 2 ]、量子力学では単純ジョルダン代数の分類に応用されています。[ 3 ]
フルヴィッツ代数または合成代数とは、必ずしも結合的ではない有限次元代数Aに、 q ( a b ) = q ( a ) q ( b )を満たす非退化二次形式qを付与した単位元を持つ代数である。基礎となる係数体が実数であり、qが正定値である場合、( a , b ) = 1 / 2 [ q ( a + b ) − q ( a ) − q ( b )]は内積となる。この場合、Aはユークリッドフルヴィッツ代数または (有限次元)ノルム付き除算代数と呼ばれる。[ 4 ]
Aがユークリッド フルヴィッツ代数であり、aがAに属する場合、対合演算子と右乗算演算子および左乗算演算子を次のように定義する。
明らかに、この対合は周期が2であり、内積とノルムを保存します。これらの演算子は次の性質を持ちます。
これらの性質は、恒等式の偏極バージョン( ab , ab ) = ( a , a )( b , b )から始めて証明されます。
b = 1またはd = 1と設定すると、 L ( a *) = L ( a )*およびR ( c *) = R ( c )*が得られます。
したがって、Re( ab ) = ( ab , 1)1 = ( a , b *)1 = ( ba , 1)1 = Re( ba )となります。
同様にRe ( ab ) c = (( ab ) c ,1)1 = ( ab , c *)1 = ( b , a * c *)1 = ( bc , a *)1 = ( a ( bc ),1)1 = Re a ( bc )。
したがって、(( ab )*, c) = ( ab , c *) = ( b , a * c *) = (1, b *( a * c *)) = (1, ( b * a *) c *) = ( b * a *, c )となり、( ab )* = b * a *となります。
偏極恒等式‖ a ‖ 2 ( c , d ) = ( ac , ad ) = ( a * ( ac ), d )により、L ( a *) L ( a ) = L (‖ a ‖ 2 )となります。これを 1 に適用すると、a * a = ‖ a ‖ 2 1となります。 a をa *に置き換えると、もう一方の恒等式が得られます。
L ( a *) L ( a ) = L ( a * a )にa *の式を代入すると、L ( a ) 2 = L ( a2 )が得られる。同様にして、R ( a2 ) = R ( a ) 2の式も証明できる。
実数R、複素数C、四元数Hが、標準ノルムと対合を持つ結合的ユークリッド・フルヴィッツ代数の例であることを確認するのは日常的なことである。さらに、 R ⊂ C ⊂ Hのような自然な包含関係が存在する。
このような包含関係を分析すると、 AA Albertによって形式化されたCayley–Dickson 構成が得られます。Aをユークリッド フルヴィッツ代数、Bを真の単位元を持つ部分代数、つまりそれ自体がユークリッド フルヴィッツ代数とします。Aの Bに直交する単位ベクトルjを選びます。 ( j , 1) = 0なので、 j * = − jとなり、したがってj 2 = −1 となります。CをBとjによって生成される部分代数とします。これは単位元を持ち、再びユークリッド フルヴィッツ代数です。C は次のCayley–Dickson 乗法則を満たします。
BとBjは直交しています。なぜならjはBに直交しているからです。aがBに含まれる場合、直交性により0 = 2( j , a *) = ja − a * jとなるため、 j a = a * jとなります。 対合の公式は次のようになります。B ⊕ B jが乗法に関して閉じていることを示すには、 Bj = jBとなります。 Bj は1 に直交しているため、( bj )* = − bjとなります。
a + bjおよびc + djに対してCにノルムの乗法性を課すと、次のようになる。
これは
したがって、d ( ac ) = ( da ) cとなり、B は結合法則を満たさなければならない。
この分析は、 RをCに、CをHに含める場合に適用される。上記の積と内積を用いてO = H ⊕ Hとすると、 J = (0, 1)によって生成される非可換非結合代数が得られる。これにより、八元数またはケイリー数の通常の定義が回復される。Aがユークリッド代数であれば、Rを含まなければならない。A がRより厳密に大きい場合、上記の議論からCが含まれることがわかる。A がCより大きい場合、Hが含まれる。A がさらに大きい場合、Oを含まなければならない。しかし、 Oは結合的ではないため、そこでプロセスは停止しなければならない。実際、Hは可換ではなく、Oではa ( bj ) = ( ba ) j ≠ ( ab ) jである。[ 5 ]
定理。ユークリッドのフルヴィッツ代数は、実数、複素数、四元数、八元数のみである。
Lee (1948)とChevalley (1954)の証明では、クリフォード代数を用いて、 Aの次元N が1、2、4、または 8 でなければならないことを示しています。実際、( a , 1) = 0の演算子L ( a )はL ( a ) 2 = −‖ a ‖ 2を満たし、実クリフォード代数を形成します。aが単位ベクトルである場合、L ( a )は− Iの二乗と歪随伴です。したがって、N は偶数または 1 でなければなりません(この場合、Aには 1 に直交する単位ベクトルは含まれません)。実クリフォード代数とその複素化は、 N次元複素空間であるAの複素化に作用します。Nが偶数の場合、N − 1は奇数なので、クリフォード代数は次元2 N /2 − 1の複素既約表現をちょうど 2 つ持ちます。したがって、この2 のべき乗はNを割り切らなければなりません。これは、 Nが1、2、4、または8のいずれかしか取り得ないことを容易に示している。
エックマン(1943)の証明は、有限群の表現論、あるいは初等アーベル2群の射影表現論を用いており、これは実クリフォード代数の表現論と等価であることが知られている。実際、1の直交補空間の正規直交基底e iを取ると、以下の式を 満たす演算子U i = L ( e i )が得られる。
これは位数2のN -1個の群の直積の射影表現である。(Nは1より大きいと仮定する。)演算子U iは構成上、歪対称かつ直交である。実際、エックマンはこの種の演算子をわずかに異なるが同等な方法で構成した。これは実際、フルヴィッツ(1923)で最初に採用された方法である。[ 6 ] 2つの形式に対する合成法則が存在すると仮定する。
ここで、z iはxとyに関して双線形である。したがって
ここで、行列T ( x ) = ( a ij )はxに関して線形である。上記の関係は以下と同等である。
書き込み
関係は
ここでV i = ( T N ) t T iと設定します。したがって、V N = Iとなり、V 1、 ... 、 V N − 1は、 U iとまったく同じ関係を満たす、歪随伴直交行列となります。
V i は実ベクトル空間上の− I の二乗を持つ直交行列であるため、Nは偶数です。
G を、以下の要素v iによって生成される有限群とする。
ここでεは位数 2 の中心です。交換子部分群[ G , G ]は 1 とεから構成されます。N が奇数の場合、これは中心と一致しますが、 Nが偶数の場合、中心は位数 4 で、追加の要素γ = v 1 ... v N − 1とε γを持ちます。Gのgが中心にない場合、その共役類は正確にgとεgです。したがって、 N が奇数の場合は2 N − 1 + 1 個の共役類があり 、 Nが偶数の場合は2 N − 1 + 2 個の共役類があります。Gは| G / [ G , G ] | = 2 N − 1個の 1 次元複素表現を持ちます。既約複素表現の総数は共役類の数です。したがって、N が偶数であるため、さらに 2 つの既約複素表現があります。次元の二乗の和は| G |に等しく、次元は| G |を割り切るため、 2 つの既約表現は次元2 ( N − 2)/2でなければなりません。N が偶数の場合、 2 つあり、その次元は群の位数を割り切る必要があるため、2 のべき乗となり、両方とも次元2 ( N − 2)/2でなければなりません。V iが作用する空間は複素化できます。その複素次元はNになります。それはGのいくつかの複素既約表現に分解され、すべて次元は2 ( N − 2)/2です。特にこの次元は≤ Nなので、Nは 8 以下です。N = 6の場合、次元は 4 で、6 を割り切れません。したがって、N は1、2、4、または 8 のいずれかになります。
A をユークリッド フルヴィッツ代数とし、M n ( A )をA上のn × n行列の代数とする。これは、次の対合を持つ単位元を持つ非結合代数である。
トレースTr( X )は、 Xの対角要素と実数値トレース の和として、Tr R ( X ) = Re Tr( X )と定義される。実数値トレースは以下を満たす。
これらは、 n = 1の場合の既知の恒等式の直接的な結果である。
Aにおいて、結合子を次のように定義する。
これは三重線形であり、Aが結合的であれば恒等的に消滅します。A は代替代数であるため、[ a , a , b ] = 0および[ b , a , a ] = 0 となります。偏極化により、結合子は 3 つの要素に関して反対称であることがわかります。さらに、a、bまたはc がRに含まれる場合、[ a , b , c ] = 0 となります。これらの事実から、 M 3 ( A )はある特定の交換関係を持つことがわかります。実際、XがM 3 ( A )の対角成分が実数である行列である場合、
Aに含まれるaの場合。実際、Y = [ X , X 2 ]の場合、
Xの対角成分は実数であるため、 Yの非対角成分はゼロになります。Yの各対角成分は、Xの非対角項のみを含む2つの結合子の和です。結合子は巡回置換に対して不変であるため、 Yの対角成分はすべて等しくなります。
H n ( A )を、積X ∘ Y = 1 / 2 ( X Y + Y X )および内積( X , Y ) = Tr R ( X Y )を持つM n ( A )の自己共役要素の空間とする。
定理。Aが結合的 (実数、複素数、または四元数) でn ≥ 3 の場合、またはAが非結合的 (八元数) でn = 3 の場合、 H n ( A )はユークリッド ジョルダン代数で。
例外的なジョルダン代数H 3 ( O )は、 AA Albertにちなんでアルバート代数と呼ばれます。
H n ( A ) がユークリッドジョルダン代数の公理を満たすことを確認するために、実トレースは( X , X ) = Σ ‖ x ij ‖ 2の対称双線形形式を定義します。したがって、これは内積です。実トレースの性質により、結合法則( Z ∘ X , Y ) = ( X , Z ∘ Y )を満たします。確認すべき主な公理は、 L ( X ) Y = X ∘ Yで定義される演算子L ( X )のジョルダン条件です。
Aが結合的である場合、これは簡単に確認できます。M n ( A )は結合代数であり、 X ∘ Y = 1 / 2 ( X Y + Y X )のジョルダン代数だからです。A = Oかつn = 3の場合は特別な議論が必要であり、最も短い議論の 1 つはFreudenthal (1951 )によるものです。[ 7 ]
実際、TがTr T = 0のH 3 ( O )にある場合、
H 3 ( O )の歪随伴導関数を定義します。実際、
となることによって
極性収率:
Z = 1と設定すると、 Dが歪随伴であることがわかります。このことから、上記の恒等式の内積の結合法則と合わせて、微分性質D ( X ∘ Y ) = D ( X )∘ Y + X ∘ D ( Y )が導かれます。
定理の記述にあるようにAとn を用いて、 K をE = H n ( A )の自己同型群とし、内積を不変とする。これはO ( E )の閉部分群であるため、コンパクトリー群である。そのリー代数は、歪随伴微分から成る。Freudenthal (1951)は、 EのXが与えられたとき、 k ( X )が対角行列となるようなKの自己同型kが存在することを示した。(自己随伴性により、対角成分は実数となる。) Freudenthal の対角化定理は、任意の非結合代数Aに対して、実対角行列によるジョルダン積がM n ( A )上で可換であることから、ジョルダン条件を直ちに導く。
対角化定理を証明するために、EのXを取ります。コンパクト性により、k はKでk ( X )の非対角項のノルムの二乗和を最小化するように選択できます。Kはすべての二乗和を保存するので、これはk ( X )の対角項のノルムの二乗和を最大化することと同等です。Xをk Xに置き換えると、最大値はXで達成されると仮定できます。座標を置換することによって作用する対称群S nはKにあるので、X が対角でない場合、 x 12とその随伴x 21はゼロでないと仮定できます。Tを(2, 1)エントリa、(1, 2)エントリ− a *、その他 0 の歪随伴行列とし、 DをEの ad Tの微分とします。Kでk t = exp tDとします。すると、 X ( t ) = k t Xの最初の 2 つの対角要素だけがXの対角要素と異なる。対角要素は実数である。 t = 0におけるx 11 ( t )の導関数は[ T , X ]の(1, 1)座標、すなわちa * x 21 + x 12 a = 2( x 21 , a )である。 a = x 21の場合、この導関数はゼロではない。 一方、群k t は実数値トレースを保存する。x 11とx 22しか変更できないため、それらの和を保存する。 しかし、直線x + y =定数では、x 2 + y 2は局所最大値を持たない (大域最小値のみを持つ) ため、矛盾が生じる。 したがって、X は対角行列でなければならない。
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