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在数学中,八元数是一种实数域上的赋范除代数,是一种超复数系统。八元数通常用大写字母 $\mathbf{O}$ 表示,也可以写作黑板粗体 $\mathbb{O}$。八元数具有 8 个维度,是四元数的 2 倍维数,而它们正是四元数的扩展。八元数是非交换的、非结合的,但满足一种较弱的结合性,即所谓的可交替性。此外,它们还具有幂结合性。
八元数不像四元数和复数那样广为人知,后者在研究和应用上更为广泛。八元数与数学中的一些例外结构(exceptional structures,需要进一步澄清)有关,其中包括例外李群。八元数在弦理论、狭义相对论和量子逻辑等领域都有应用。将 Cayley–Dickson 构造应用于八元数,可以得到十六元数。
八元数是在 1843 年 12 月由约翰·T·格雷夫斯发现的,他的灵感来自好友威廉·罗恩·哈密顿发现四元数。就在格雷夫斯发现八元数前不久,他在 1843 年 10 月 26 日写给哈密顿的一封信中写道:“如果凭借你的炼金术,你能炼出三磅黄金,为什么要止步于此呢?”\(^\text{[1]}\)
格雷夫斯把他的发现称为 “octaves”(八度数),并在 1843 年 12 月 26 日写给哈密顿的信中提到这一点。\(^\text{[2]}\) 他最早发表研究结果的时间,比阿瑟·凯莱的文章稍晚一些。\(^\text{[3]}\) 八元数也被凯莱独立发现,有时被称为 Cayley 数或凯莱代数。\(^\text{[4]}\) 哈密顿后来描述过格雷夫斯发现八元数的早期经过。\(^\text{[5]}\)
八元数可以被看作是实数的 八元组(octets 或 8-元组)。 每一个八元数都是单位八元数的实线性组合: $$ \{e_{0}, e_{1}, e_{2}, e_{3}, e_{4}, e_{5}, e_{6}, e_{7}\},~ $$ 其中,$e_{0}$ 是标量或实数元,可以与实数 1 对应。
也就是说,每个八元数 $x$ 都可以写成以下形式: $$ x = x_{0} e_{0} + x_{1} e_{1} + x_{2} e_{2} + x_{3} e_{3} + x_{4} e_{4} + x_{5} e_{5} + x_{6} e_{6} + x_{7} e_{7},~ $$ 其中系数 $x_{i} \in \mathbb{R}$。
一种更系统地定义八元数的方法是通过 凯莱–迪克森构造。将凯莱–迪克森构造应用于四元数,就能得到八元数。可以表示为 $\mathbb{O} = \mathcal{CD}(\mathbb{H}, 1)$.\(^\text{[6]}\)
就像四元数可以定义为复数的有序对一样,八元数也可以定义为四元数的有序对。加法按分量逐一进行。若 $(a, b)$ 和 $(c, d)$ 是两对四元数,则它们的乘法定义为 $$ (a, b)(c, d) = (ac - d^{*}b,\; da + bc^{*}),~ $$ 其中 $z^{\*}$ 表示四元数 $z$ 的共轭。
当将八个单位八元数与以下有序对对应时,这一定义与前面给出的等价: $$ (1, 0),\; (i, 0),\; (j, 0),\; (k, 0),\; (0, 1),\; (0, i),\; (0, j),\; (0, k).~ $$
八元数的加法与减法是逐项进行的,即对应项的系数相加或相减,这与四元数的情况相同。
八元数的乘法要复杂得多。乘法对加法是分配的,因此两个八元数的积可以通过逐项相乘再求和得到,这一点和四元数类似。
每一对项的乘积由系数的乘法以及单位八元数的乘法表共同决定。一个这样的乘法表(由 阿瑟·凯莱(Arthur Cayley, 1845)和 约翰·T·格雷夫斯(John T. Graves, 1843)分别给出)如下所示:\(^\text{[7]}\)
大多数乘法表的**非对角元素**都是**反对称的**,因此它几乎是一个**斜对称矩阵**(skew-symmetric matrix),只是主对角线元素,以及 $e\_{0}$ 所在的行和列例外。
这个乘法表可以总结为如下形式:[8] $$ e_{\ell} e_{m} = \begin{cases} e_{m}, & \text{if } \ell = 0, \\ e_{\ell}, & \text{if } m = 0, \\ -\delta_{\ell m} e_{0} + \varepsilon_{\ell mn} e_{n}, & \text{otherwise}, \end{cases}~ $$ 其中:$\delta_{\ell m}$ 是 Kronecker delta(当 $\ell = m$ 时等于 1,当 $\ell \neq m$ 时等于 0);$\varepsilon_{\ell mn}$ 是一个完全反对称张量:当 $(\ell m n)$ 等于下列之一时,取值为 $+1$:$(123),\; (145),\; (176),\; (246),\; (257),\; (347),\; (365),$ 以及这些三元组的偶数次排列;对于这些三元组的奇数次排列,则取值为 $-1$。例如:$\varepsilon_{123} = +1, \quad \varepsilon_{132} = \varepsilon_{213} = -1, \quad\varepsilon_{312} = \varepsilon_{231} = +1$ 若三个指标中有任意两个相同,则 $\varepsilon_{\ell mn} = 0$。
然而,上述定义并不是唯一的。事实上,这只是 480 种可能的八元数乘法定义之一(其中 $e_{0} = 1$)。其他定义可以通过对非标量基元素 ${ e\_{1}, e_{2}, e_{3}, e_{4}, e_{5}, e_{6}, e_{7} }$ 进行置换和符号变换得到。所有这 $480$ 种代数都是同构的,因此通常没有必要区分具体采用哪一种乘法规则。
有时会采用一种变体,即将基底元素标记为射影线上 ${\infty, 0, 1, 2, \ldots, 6}$,该射影线是定义在有限域 $\mathrm{GF}(7)$ 上的。此时,乘法规则为 $e_{\infty} = 1, \quad e_{0} e_{1} = e_{3}$,以及所有通过给下标加上常数(模 7)得到的方程。换句话说,利用以下七个三元组:$(0,1,3), \; (1,2,4), \; (2,3,5), \; (3,4,6), \; (4,5,0), \; (5,6,1), \; (6,0,2)$.这些正是**长度为 7 的二次剩余码在 $\mathrm{GF}(2)$ 上的非零码字。在这里存在两个对称性:一个是阶为 7 的对称性,即对所有下标加上模 7 的常数;另一个是阶为 3 的对称性,即将所有下标乘以模 7 的一个二次剩余(1,2,4)。这七个三元组也可以看作是集合 {1,2,4} 的七个平移,它们形成有限域 $\mathrm{GF}(7)$(含七个元素)上的一个循环 (7,3,1) 差集。
前文所示的法诺平面,配合 $e\_{n}$ 和 IJKL 乘法矩阵,也包含了一个符号为 $(-,-,-,-)$ 的几何代数基。它由以下七个四元数型三元组给出(省略了标量单位元): $$ (I, j, k), \; (i, J, k), \; (i, j, K), \; (I, J, K), \; (\star I, i, l), \; (\star J, j, l), \; (\star K, k, l),~ $$ 或者等价地写作: $$ (\sigma_{1}, j, k), \; (i, \sigma_{2}, k), \; (i, j, \sigma_{3}), \; (\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}), \; (\star \sigma_{1}, i, l), \; (\star \sigma_{2}, j, l), \; (\star \sigma_{3}, k, l).~ $$ 其中:小写符号 ${i, j, k, l}$ 表示向量,例如 ${\gamma_{0}, \gamma_{1}, \gamma_{2}, \gamma_{3}}$ 大写符号 ${I, J, K} = {\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}}$ 表示双向量,例如 $\gamma_{{1,2,3}} \gamma_{0},$ 算子 $\star = i j k l$ 是伪标量元。
如果强制 $\star$ 等于单位元,那么乘法将不再是结合的,但此时可以将 $\star$ 从乘法表中移除,从而得到一个八元数的乘法表。若保持 $\star = i j k l$ 作为结合的运算元(因此不将四维几何代数约化为八元数代数),则整个乘法表都可以由 $\star$ 的定义导出。考虑上文给出的 $\gamma$ 矩阵,第五个 $\gamma$ 矩阵的定义式:$\gamma_{5}$, 正表明它是一个由 $\gamma$ 矩阵形成的四维几何代数的 $\star$ 运算结果。
一种记忆单位八元数乘法的便利助记法是通过图示来完成的,这个图表示了凯莱和格雷夫斯给出的乘法表。\(^\text{[7][12]}\) 该图由 7 个点和 7 条线组成(其中通过点 1,2,3 的圆也被视为一条线),被称为法诺平面。这些线具有方向性。这 7 个点对应于 $\operatorname{\mathcal{I_{m}}}!\bigl[\mathbb{O}\bigr]$ 的 7 个标准基元素(见下文定义)。任意两个不同的点恰好确定一条唯一的线,每条线也恰好穿过 3 个点。
设 $(a, b, c)$ 是位于某条线上且按箭头方向排序的三元组,则乘法规则为: $$ ab = c, \quad ba = -c,~ $$ 并结合循环置换。
此外,还需满足以下规则:
这些规则共同完全确定了八元数的乘法结构。此外,法诺平面中的每一条线都生成了一个与四元数 $\mathbf{H}$ 同构的子代数。
一个八元数 $$ x = x_{0} e_{0} + x_{1} e_{1} + x_{2} e_{2} + x_{3} e_{3} + x_{4} e_{4} + x_{5} e_{5} + x_{6} e_{6} + x_{7} e_{7}~ $$ 的共轭定义为 $$ x^{*} = x_{0} e_{0} - x_{1} e_{1} - x_{2} e_{2} - x_{3} e_{3} - x_{4} e_{4} - x_{5} e_{5} - x_{6} e_{6} - x_{7} e_{7}.~ $$ 共轭运算是 $\mathbb{O}$ 上的一个自反,并满足 $(xy)^{*} = y^{*} x^{*} \quad \text{(注意次序变化)}$.
八元数 $x$ 的实部为 $$ \frac{x + x^{*}}{2} = x_{0} e_{0},~ $$ 虚部(纯部)为 $$ \frac{x - x^{*}}{2} = x_{1} e_{1} + x_{2} e_{2} + x_{3} e_{3} + x_{4} e_{4} + x_{5} e_{5} + x_{6} e_{6} + x_{7} e_{7}.~ $$ 所有纯虚八元数组成 $\mathbb{O}$ 的一个 7 维子空间,记作 $\operatorname{\mathcal{I_{m}}}\!\bigl[\mathbb{O}\bigr]$.
八元数的共轭还满足以下关系: $$ -6x^{*} = x + (e_{1}x)e_{1} + (e_{2}x)e_{2} + (e_{3}x)e_{3} + (e_{4}x)e_{4} + (e_{5}x)e_{5} + (e_{6}x)e_{6} + (e_{7}x)e_{7}.~ $$
八元数与其共轭的乘积总是非负实数: $$ x^{*}x = x_{0}^{2} + x_{1}^{2} + x_{2}^{2} + x_{3}^{2} + x_{4}^{2} + x_{5}^{2} + x_{6}^{2} + x_{7}^{2}.~ $$ 因此,可以定义八元数的范数为 $$ \|x\| = \sqrt{x^{*}x}.~ $$ 这个范数与 $\mathbb{R}^{8}$ 上的标准 8 维欧几里得范数一致。
由于 $\mathbb{O}$ 上存在范数,所以每个非零元素都有逆元。对 $x \neq 0$,其唯一的逆元 $x^{-1}$(满足 $xx^{-1} = x^{-1}x = 1$)为 $$ x^{-1} = \frac{x^{*}}{\|x\|^{2}}.~ $$
任意一个八元数 $x$ 都可以分解为其实部和虚部: $$ x = \mathfrak{R}(x) + \mathfrak{I}(x),~ $$ 其中,实部 $\mathfrak{R}(x)$ 有时也称为标量部分,虚部 $\mathfrak{I}(x)$ 称为向量部分。
我们定义与 $x$ 对应的单位向量 $u$ 为: $$ u = \frac{\mathfrak{I}(x)}{\|\mathfrak{I}(x)\|}.~ $$ 它是一个范数为 1 的纯八元数。
可以证明 \(^\text{[13]}\),任何非零八元数都可以写成: $$ o = \|o\|\bigl(\cos \theta + u \sin \theta \bigr) = \|o\| e^{u\theta},~ $$ 从而给出了八元数的极坐标形式。
八元数乘法既不是交换的: $$ e_{i} e_{j} = - e_{j} e_{i} \neq e_{j} e_{i}, \quad \text{当 } i, j \text{ 不同且非零时},~ $$ 也不是结合的: $$ (e_{i} e_{j}) e_{k} = - e_{i} (e_{j} e_{k}) \neq e_{i}(e_{j} e_{k}), \quad \text{当 } i, j, k \text{ 不同且非零且 } e_{i} e_{j} \neq \pm e_{k} \text{时}.~ $$ 不过,八元数满足一种较弱的结合性:它们是可交替的。这意味着由任意两个元素生成的子代数是结合的。实际上,可以证明由 $\mathbb{O}$ 中任意两个元素生成的子代数同构于 $\mathbb{R}$、$\mathbb{C}$ 或 $\mathbb{H}$,而这些代数都是结合代数。由于不具结合性,八元数不能像实数、复数、四元数那样表示为实数矩阵环的子代数。
八元数保留了 $\mathbb{R}$、$\mathbb{C}$ 和 $\mathbb{H}$ 的一个重要性质:其范数满足 $$ \|xy\| = \|x\|\ \|y\|.~ $$ 这说明八元数构成一个组成代数。由凯莱–迪克森构造继续扩展得到的更高维代数(例如十六元数 sedenions)都不再满足这一性质,它们存在零因子。更广泛的数系也存在,其中一些数系具有乘法模(例如 16 维的圆锥十六元数 conic sedenions)。不过,这些数系的模与范数的定义不同,并且它们同样包含零因子。
赫尔维茨证明了:在实数域上,$\mathbb{R}$、$\mathbb{C}$、$\mathbb{H}$ 和 $\mathbb{O}$ 是唯一的赋范除代数。这四个代数也是实数域上唯一的有限维可交替除代数(在同构意义下)。
由于八元数不具结合性,$\mathbb{O}$ 的非零元素不构成群。但它们却构成一个环路,更确切地说是一个 Moufang 环路。
两个八元数 $x$ 和 $y$ 的对易子定义为 $$ [x,y] = xy - yx.~ $$ 它是反对称的,并且是一个虚八元数。如果只在虚子空间 $\operatorname{\mathcal{I_{m}}}\!\bigl[\mathbb{O}\bigr]$ 上考虑这一运算,就得到该空间上的一个乘法,即七维叉积,其定义为 $$ x \times y = \tfrac{1}{2}(xy - yx).~ $$ 与三维叉积类似,它给出的结果是一个同时正交于 $x$ 和 $y$ 的向量,其模长为 $$ \|x \times y\| = \|x\| \ \|y\| \ \sin \theta.~ $$ 但与三维情况不同的是,这个叉积并不是唯一确定的。实际上存在多种不同的叉积形式,每一种都依赖于所选取的八元数乘法。\(^\text{[14]}\)
八元数的一个自同构 $A$ 是 $\mathbb{O}$ 上的一个可逆线性变换,它满足 $$ A(xy) = A(x) \ A(y).~ $$ 所有八元数自同构的集合构成一个群,称为 $G\_{2}$ 群。\(^\text{[15]}\)$G\_{2}$ 是一个单连通、紧致、实李群,维度为 14。它是例外李群中最小的一个,并同构于 $\operatorname{Spin}(7)$ 的一个子群——该子群保持其 8 维实旋量表示中的任意一个特定向量不变。而 $\operatorname{Spin}(7)$ 本身又是下面将要描述的等变群的一个子群。
另见:$\operatorname{PSL}(2,7)$ ——法诺平面的自同构群。
一个代数的同构变换是一个三元组 $(a,b,c)$,其中 $a,b,c$ 都是双射线性映射,并且若 $ xy = z$,则有 $a(x)b(y) = c(z)$。当 $a=b=c$ 时,这就是一个自同构。代数的同构群是所有同构变换构成的群,它包含自同构群作为子群。
八元数的同构群是 $\operatorname{Spin}\_{8}(\mathbb{R})$,其中 $a,b,c$ 分别对应其三个 8 维表示。\(^\text{[16]}\) 当 $c$ 固定单位元时,对应的子群是 $\operatorname{Spin}\_{7}(\mathbb{R})$;当 $a,b,c$ 都固定单位元时,对应的子群就是自同构群 $G\_{2}$。
就像四元数可以用矩阵表示一样,八元数也可以用四元数矩阵表来表示。具体而言,由于任意一个八元数都可以表示为一对四元数 $(q\_{0}, q\_{1})$,我们将其表示为 $$ (q_{0},q_{1}) \;\longmapsto\; \begin{bmatrix} q_{0} & q_{1} \\ - q_{1}^{*} & q_{0}^{*} \end{bmatrix}.~ $$ 这里 $q\_{i}^{\*}$ 表示四元数的共轭。
在使用一种稍加修改的(非结合的)四元数矩阵乘法时: $$ \begin{bmatrix} \alpha_{0} & \alpha_{1} \\ \alpha_{2} & \alpha_{3} \end{bmatrix} \circ \begin{bmatrix} \beta_{0} & \beta_{1} \\ \beta_{2} & \beta_{3} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \alpha_{0}\beta_{0}+\beta_{2}\alpha_{1} & \beta_{1}\alpha_{0}+\alpha_{1}\beta_{3} \\ \beta_{0}\alpha_{2}+\alpha_{3}\beta_{2} & \alpha_{2}\beta_{1}+\alpha_{3}\beta_{3} \end{bmatrix},~ $$ 我们就可以将八元数的加法和乘法转化为对应的四元数矩阵运算。\(^\text{[6]}\)
八元数在其他数学结构的分类与构造中扮演了重要角色。例如:例外李群 $G_{2}$ 是八元数的自同构群;其他例外李群 $F_{4}$、$E_{6}$、$E_{7}$ 和 $E_{8}$ 可以理解为利用八元数定义的某些射影平面的等距变换群。\(^\text{[17]}\) 由 $3\times 3$ 自伴八元数矩阵构成的集合,配合对称化的矩阵乘法,定义了 Albert 代数。在离散数学中,八元数提供了 Leech 晶格的一种初等推导方法,因此与散在单群密切相关。\(^\text{[[18][19]]}\)
八元数在物理学中的应用大多仍停留在猜想阶段。例如:在 1970 年代,人们曾尝试利用八元数 Hilbert 空间来理解夸克。\(^\text{[20]}\) 已知八元数(以及 “只有四种赋范除代数存在” 这一事实)与可构造超对称量子场论的时空维数相关。\(^\text{[[21][22]]}\) 也有学者尝试通过八元数构造来得到标准模型,例如使用所谓的 Dixon 代数 $\mathbb{C} \otimes \mathbb{H} \otimes \mathbb{O}$.\(^\text{[23][24]}\)
八元数出现在黑洞熵、量子信息科学 \(^\text{[25][26]}\)、弦理论 \(^\text{[27]}\) 和图像处理 \(^\text{[28]}\) 的研究中。
在机器人学中,八元数被用于手眼标定问题的解法。\(^\text{[29]}\)
在机器学习中,深度八元数网络为高效而紧凑的表达提供了一种方式。\(^\text{[30][31]}\)
定义整数八元数有几种自然方式。最简单的方法是取坐标均为整数的八元数。这给出了一个定义在整数环上的非结合代数,称为 Graves 八元数。然而,它并不是环论意义下的极大整阶;事实上,恰好存在 7 个包含它的极大整阶。这七个极大整阶在自同构下都是等价的。通常所说的 “整数八元数” 指的是这七个极大整阶中的一个固定选择。
这些极大整阶最早由 Kirmse (1924)、Dickson 和 Bruck 构造。具体做法如下:将八个基向量标记为域 $\mathrm{GF}(7)$ 上射影直线的点。首先构造所谓的 Kirmse 整数:它们是坐标为整数或半整数的八元数,并且在下面给出的 16 个集合之一上取半整数(即奇数的一半): $$ \varnothing,\; (\infty124),\; (\infty235),\; (\infty346),\; (\infty450),\; (\infty561),\; (\infty602),\; (\infty013),\; (\infty0123456),\; (0356),\; (1460),\; (2501),\; (3612),\; (4023),\; (5134),\; (6245),~ $$ 这些集合来自长度为 8 的扩展二次剩余码,定义在 $\mathrm{GF}(2)$ 上:即 $\varnothing$、$(\infty124)$ 及其在模 7 加常数下的像,以及这 8 个集合的补集。接着,将 $\infty$ 与任意一个其他坐标交换;这个操作会将 Kirmse 整数双射到另一个集合上,而这个集合正是一个极大整阶。共有 7 种方式可以进行这种交换,得到 7 个极大整阶,它们在 $0123456$ 的循环置换下互为等价。(Kirmse 曾错误地声称 Kirmse 整数本身也是一个极大整阶,因此他认为有 8 个极大整阶。但正如 Coxeter (1946) 指出的,它们在乘法下并不封闭;这一错误在一些文献中仍然出现。)
Kirmse 整数与这 7 个极大整阶都是与 $E_{8}$ 晶格等距的,只是整体缩放了一个因子 $1/\sqrt{2}$。特别地,在每一个极大整阶中都有 240 个非零最小范数为 1 的元素,它们构成一个阶为 240 的 Moufang 环路。
整数八元数具有 “带余除法” 的性质:对于给定的整数八元数 $a$ 和 $b \neq 0$,存在 $q,r$ 使得 $a = qb + r$,且余数 $r$ 的范数小于 $b$ 的范数。在整数八元数中,所有的左理想与右理想都是双边理想,而唯一的双边理想是形如 $n\mathbf{O}$ 的主理想,其中 $n$ 是非负整数。
整数八元数存在某种形式的素因子分解,但由于八元数不结合,积的结果依赖于乘法顺序,因此表述并不直接。不可约整数八元数正是那些范数为素数的八元数,并且每个整数八元数都可以写作不可约八元数的乘积。更精确地说,若一个整数八元数的范数为 $mn$,则它可以分解为范数分别为 $m$ 和 $n$ 的整数八元数的积。
整数八元数的自同构群是 $G\_{2}(\mathbf{F}_{2})$,其阶为 $12,096$。该群包含一个指数为 2 的单群子群,它同构于酉群 $^{2}A_{2}(3^{2})$。整数八元数的同构群是 $E\_{8}$ 晶格旋转群的完美双覆盖。