Eine Hurwitzquaternion (oder Hurwitz-Ganzzahl), benannt nach Adolf Hurwitz, ist eine Quaternion, deren vier Koeffizienten entweder alle (rational-)ganzzahlig oder alle halbzahlig (Hälften ungerader ganzer Zahlen) sind – Mischungen von Ganzzahlen und Halbzahlen sind also unzulässig. Die Menge aller Hurwitzquaternionen ist

.

Sie bildet in ihrem Quotientenkörper, dem Divisionsring (Schiefkörper) der Quaternionen mit rationalen Koeffizienten

,

eine maximale -Ordnung. ist der kleinste Unterkörper des Quaternionenschiefkörpers mit nicht-kommutativer Multiplikation. Andererseits ist seine Vervollständigung (Komplettierung) für die Betrags-Metrik gerade wieder .

Eine Lipschitzquaternion (oder Lipschitz-Ganzzahl), benannt nach Rudolf Lipschitz, ist eine Quaternion, deren Koeffizienten alle ganzzahlig sind. Die Menge aller Lipschitzquaternionen

ist ein (nicht-kommutativer) Unterring von (aber kein Ideal!). und haben denselben Quotientenkörper .

Im Unterschied zu ist maximal als Ganzheitsring und zusätzlich ein euklidischer Ring, d. h., kennt eine Division mit kleinem Rest und einen euklidischen Algorithmus.

Der Artikel behandelt die wichtigsten algebraischen Eigenschaften inklusive Symmetrien von und deren geometrische Auswirkungen. Ferner lässt sich exemplarisch verfolgen, inwieweit Begriffe, die man von den kommutativen Ringen her kennt und die häufig nur dort definiert werden, fürs nicht-kommutative Umfeld angepasst werden können.

Erbschaften Bearbeiten

Der Schiefkörper   „erbt“ die  ,  ,   und alle einschlägigen Rechenregeln von  , den Quaternionen mit reellen Koeffizienten. Bezüglich der Definitionen wird auf den entsprechenden Artikel verwiesen.

  ist ein 4-dimensionaler Vektorraum über seinem Skalarkörper  , wie es   über   ist. Vom Vektorraum gewinnt man die Addition und die Skalarmultiplikation  , bei der der Skalar   die Quaternion komponentenweise multipliziert. Diese Multiplikation stimmt in ihrem Definitionsbereich mit der Quaternionen-Multiplikation überein, da   als   in die Quaternionen eingebettet wird, und sie ist kommutativ.

In diesem Artikel wird die (volle) Quaternionen-Multiplikation mit dem Mittepunkt   und die Skalarmultiplikation durch einfache Juxtaposition notiert, ferner werden die Quaternionen mit griechischen und die Skalare mit lateinischen Buchstaben geschrieben.

Zur Erläuterung der Auswirkungen der Erbschaften auf das Thema des Artikels seien   und   beliebige Quaternionen (mit rationalen oder ggf. reellen Koeffizienten).

  • Das Skalarprodukt    , definiert durch
     ,
    ist eine positiv definite symmetrische Bilinearform. Wir haben die Bilder
     
    und
     
    und die Bilder
     .
  • Die Konjugation   wirft   nach
     .
  • Die Norm, gegeben durch
     
    ist    (Quadrat des Betrags), multiplikativ, rein reell, nicht-negativ und bei einer Hurwitzquaternion immer eine ganze Zahl. Gemäß dem Vier-Quadrate-Satz von Lagrange benötigt man für jede nicht-negative ganze Zahl höchstens 4 Quadratzahlen, deren Summe sie ist. Somit ist jede nicht-negative Ganzzahl Norm einer Lipschitz- (oder Hurwitz-)Quaternion.
  • Die positive Definitheit des Skalarprodukts bedeutet   für  . Daraus folgt die Existenz des Inversen
      für  ,
    daraus die Nullteilerfreiheit von  .

Gruppeneigenschaften Bearbeiten

Folgende Notationen seien in diesem Artikel durchgehalten.

  • Die Menge
     
    ist wegen der Multiplikativität der Norm additiv und multiplikativ abgeschlossen und Untermenge von  , da alle   mit   eine ungerade Norm haben. Ferner ist für   und   sowohl
      als auch  .
      ist bekannt als das Gitter D4[1] im  . Es wird der geraden „Quersummen“   wegen auch „Schachbrettgitter“ genannt.
  •   sei eine Kurzschreibweise für die Nebenklasse  .
  • Die Quaternion
     
    hat   zur 6-ten Potenz, und es ist   und  .
  • Die Menge
     
    ist multiplikativ abgeschlossen.

Additivität Bearbeiten

Lipschitz-Gitter Bearbeiten

Die additive Gruppe   wird erzeugt von   und bildet ein Gitter im  , bekannt als das Gitter I4.[2]

  ist ein Untergitter vom Index 2 von  . Es ergeben sich die Partitionen

 .
Additionstafel
         
         
         
         
         

Hurwitz-Gitter Bearbeiten

Als additive Gruppe ist   frei abelsch mit den Erzeugenden  .   bildet ebenfalls ein Gitter im  , bekannt als das Gitter F4[3].

  ist ein Untergitter vom Index 2 von   und es ergeben sich die Partitionen

 

(siehe unten stehendes Diagramm). Damit ist   ein vollständiges Repräsentantensystem von  .

Die Elemente   der Nebenklassen   haben gerade, die von   ungerade „Quersumme“  .

Aus den Nebenklassen des Gitters D4
gebildete Gitter und Ringe
 
 
 
     
 
 
 
 
 
 
     
 
 
 

Multiplikativität Bearbeiten

Lipschitz-Halbgruppe Bearbeiten

Es ist klar, dass das Produkt zweier Lipschitz-Zahlen mit ganzzahligen Koeffizienten wieder ganzzahlige Koeffizienten hat. Somit ist die Menge   eine Halbgruppe unter der Quaternionen-Multiplikation  .

Lipschitz-Einheiten Bearbeiten

Die Einheitengruppe in   ist die nicht-abelsche Quaternionengruppe

 

von der Ordnung 8 mit dem Zentrum  . Erzeugende von Q8 sind z. B.   und   mit den Gleichungen

 ,     und  .
Multiplikationstafel
         
         
         
         
         

Hurwitz-Halbgruppe Bearbeiten

Der Beweis der multiplikativen Abgeschlossenheit von   gelingt ohne große Rechnerei durch Zusammensetzen aus den 4 Nebenklassen.[Anm 1]

Fazit: Die Mengen   und   sind abgeschlossen unter der Addition   und der Multiplikation  , so dass sie (nicht-kommutative) Unterringe in ihrer beider Quotientenkörper   bilden, und   ist ein Ideal in beiden Ringen (siehe auch den Abschnitt Ideale).

Hurwitz-Einheiten Bearbeiten

Die Einheitengruppe in  , auch Gruppe der Hurwitzeinheiten genannt, ist die nicht-abelsche Gruppe

 

der Ordnung 24, die aus den 8 Elementen der Gruppe Q8 und den 16 Quaternionen   besteht, bei denen die Vorzeichen in jeder Kombination zu nehmen sind: den Hurwitzeinheiten im engeren Sinn.   ist isomorph zur binären Tetraedergruppe 2T, einer zentralen Gruppenerweiterung der Tetraedergruppe T = A4 von der Ordnung 12 mit einer zyklischen Gruppe der Ordnung 2. Ihr Zentrum ist ebenfalls   und die Faktorgruppe   ist isomorph zu A4.

Q8 ist Normalteiler vom Index 3 von  , und   ist Untergruppe von   mit   und  ; also ist   das semidirekte Produkt  .[Anm 2]

Erzeugende von   sind z. B.

  und  

mit den Gleichungen

  ,

wobei   .

Geometrische Eigenschaften Bearbeiten

Regulärer 16-Zeller (Hexadekachor) Bearbeiten

 
3D-Projektion des regulären 16-Zellers

Die Elemente der Gruppe Q8 haben alle die Norm 1 und bilden die Ecken des Kreuzpolytops der vierten Dimension, des regulären sogenannten 16-Zellers, auch Hexadekachōr(on) (das, englisch hexadecachoron, von griechisch ἑξαδεκάχωρον aus hexa ‚sechs‘ und deka ‚zehn‘ und chōros ‚Raum‘) genannt. Er ist eingeschrieben in die Einheits-3-Sphäre, die selbst wieder eine Gruppe ist, nämlich die Lie-Gruppe SU(2). Sein Rand besteht aus 16 Tetraedern mit den Eckenmengen  , wobei jede der 16 Vorzeichenkombinationen für ein Tetraeder steht. Die Mittelpunkte dieser Tetraeder sind gerade die Hälften der Hurwitzeinheiten im engeren Sinn.

Der 16-Zeller ist zum 8-Zeller dual, gehört zu den 6 regulären konvexen 4-Polytopen (Polychora im  ), hat Schläfli-Symbol {3,3,4} und ist berandet von 16 (regulären) Tetraeder-Zellen, 32 (regulären) Dreiecksflächen, 24 Kanten und 8 Ecken. Sein 4-Volumen ist   bei einer Kantenlänge von   und einem Umkreisradius von 1.

Regulärer 8-Zeller (Tesserakt) Bearbeiten

 
3D-Projektion des regulären 8-Zellers

Die restlichen 16 Elemente  , d. s. die Hurwitzeinheiten im engeren Sinn, haben ebenfalls die Norm 1 und bilden die Ecken des Hyperwürfels (Maßpolytops) der vierten Dimension, des regulären sogenannten 8-Zellers, auch Tesserakt genannt. Er ist berandet durch 8 Würfel, einer davon hat bspw. die 8 Ecken   und   als Mittelpunkt. Die Mittelpunkte der Würfel sind  .

Der 8-Zeller ist zum 16-Zeller dual, gehört zu den 6 regulären konvexen 4-Polytopen, hat Schläfli-Symbol {4,3,3} und ist berandet von 8 Zellen (den Würfeln), 24 Quadraten, 32 Kanten und 16 Ecken. Sein 4-Volumen ist 1 bei einer Kantenlänge und einem Umkreisradius von 1.

Regulärer 24-Zeller (Ikositetrachor) Bearbeiten

 
3D-Projektion des regulären 24-Zellers
 
Schlegeldiagramm des regulären 24-Zellers (Ecken und Kanten)

Die Elemente der Gruppe   haben alle die Norm 1 und bilden die Ecken des sogenannten 24-Zellers, auch Ikositetrachōr(on) (das, englisch icositetrachoron, von griechisch εἰκοσιτετράχωρον aus eikosi ‚zwanzig‘ und tetra, Präfixform von τέτταρα, ‚vier‘ und chōros ‚Raum‘), eingeschrieben in die Einheits-3-Sphäre. Die 6 Quaternionen   markieren die Ecken eines regulären Oktaeders mit dem Mittelpunkt   auf dem Rand dieses 24-Zellers, welches bei (linker wie rechter) Multiplikation mit einem Element   in ein anderes Oktaeder (auf dem Rand) übergeht. Somit besteht der Rand des 24-Zellers aus 24 (regulären) Oktaeder-Zellen, von denen sich 6 an jeder Ecke und 3 an jeder Kante treffen. Der 24-Zeller gehört zu den 6 regulären konvexen 4-Polytopen, hat 24 Zellen (die Oktaeder), 96 Dreiecksflächen, 96 Kanten und 24 Ecken. Das 4-Volumen ist 2 bei einer Kantenlänge und einem Umkreisradius von 1.

Der 24-Zeller hat Schläfli-Symbol {3,4,3}, ist das einzige selbst-duale reguläre euklidische Polytop, das nicht Simplex oder Polygon ist, und hat insoweit keine Entsprechung in anderen Dimensionen.[Anm 3]

Parkettierung und Sphärenpackung Bearbeiten

Zu jedem der 3 oben genannten regulären 4-Polytope gibt es eine reguläre und lückenlose Parkettierung – und diese sind die einzigen – des 4-dimensionalen euklidischen Raums.

Parkettierung mit dem 8-Zeller Bearbeiten

Eine Parkettierung des   mit dem Tesserakt lässt sich so einrichten, dass die Mittelpunkte der Tesserakte, der Maschen, genau auf die Lipschitzquaternionen   fallen. Das gelingt mit dem oben erwähnten Tesserakt, genauer: dem 4-dimensionalen und für die Disjunktheit der Maschen rechtsoffenen Intervall   als der Grundmasche.

Diese Parkettierung mit dem 8-Zeller sei als die Lipschitz-Parkettierung bezeichnet. Sie hat Schläfli-Symbol {4,3,3,4} und ist zu sich selbst dual, d. h., die Mittelpunkte der einen Parkettierung sind die Ecken der dualen und umgekehrt. Das 4-Volumen der Maschen ist 1 bei einer Kantenlänge und einem Umkreisradius von 1.[Anm 4]

Parkettierung mit dem 24-Zeller Bearbeiten

Eine Parkettierung des   mit dem 24-Zeller lässt sich so einrichten, dass die Mittelpunkte der 24-Zeller genau auf die Hurwitzquaternionen   fallen. Die Grundmasche ist der 24-Zeller mit dem Mittelpunkt   und den 24 Ecken der Art  .[Anm 5]

Diese Parkettierung mit dem 24-Zeller sei als die Hurwitz-Parkettierung bezeichnet. Ihr Schläfli-Symbol ist {3,4,3,3}. Das 4-Volumen der Maschen ist   bei einer Kantenlänge und einem Umkreisradius von  .[Anm 6]

Parkettierung mit dem 16-Zeller Bearbeiten

Es gibt eine Parkettierung mit dem 16-Zeller, die dual ist zur Parkettierung mit dem 24-Zeller, – Schläfli-Symbol also {3,3,4,3}. Das 4-Volumen ihrer Maschen ist   bei einer Kantenlänge von 1 und einem Umkreisradius von  .[Anm 7]

Sphärenpackung Bearbeiten

Im Zusammenhang mit diesen letzteren 2 Parkettierungen steht eine maximale (bewiesen für Gitter-Packungen, nicht aber für Nicht-Gitter-Packungen[4]) Packungsdichte von 4-Kugeln (3-Sphären) von   auf dem Hurwitz-Gitter F4 im  . Diese Sphärenpackung kommt auf eine Kusszahl von 24 (als obere Grenze – auch unter Nicht-Gitter-Packungen – bewiesen[5]).[Anm 8]

Maschenradius Bearbeiten

Für die Division mit Rest weiter unten benötigen wir die Gitterweite   eines Gitters   und definieren sie als die größte vorkommende Entfernung

 

eines Punktes   zu einem Gitterpunkt  , der ihm am nächsten liegt, d. h.

 .[Anm 9]

Das Gitter   hat den Maschenradius  .[Anm 10]

Pseudocode für die Approximation einer Quaternion   durch eine Lipschitz-Ganzzahl  :

     beliebige Quaternion  
     alle 4 Komponenten  
     Rundung zur nächsten Ganzzahl   per   und Gaußklammer
      

Damit ist   in der Masche mit Mittelpunkt  , genauer:   (rechtsoffenes 4-dimensionales Intervall).[Anm 11]

Das Gitter   hat den Maschenradius  .[Anm 12]

Pseudocode für die Approximation einer Quaternion   durch eine Hurwitz-Ganzzahl  :

  beliebige Quaternion  
        Lipschitz-Ganzzahl  
    
     Abweichung der Lipschitz-Näherung
     Alle 16 halbzahligen Hurwitzeinheiten werden durchprobiert.
           Abweichung einer Hurwitz-Ganzzahl
       
           Der Gitterpunkt mit der kleinsten Abweichung wird festgehalten.
          
    
      

Die normmäßige Abweichung des Ergebnisses ist  .[Anm 13]

[Anm 14]

Euklidizität Bearbeiten

Der folgende Pseudocode ermittelt zu einer linken Division mit „kleinem“ Rest den Rest:

  Dividend  , Divisor  
     Division links ergibt rechten Quotienten.
        Rest der linken Division
        betragsmäßig minimal

Das Suffix   kennzeichnet das Ergebnis als einer linken Division entstammend. Damit ist es in einer nachfolgenden komplementären Multiplikation zur Verwendung als linker Faktor (Teiler) geeignet.

Diese Division mit Rest macht den Ring   der Hurwitzquaternionen zu einem rechts-euklidischen Ring, d. h., zu 2 Zahlen   und   gibt es   und   mit

  und  .[Anm 15]

Wie in kommutativen euklidischen Ringen ist jedes Ideal in   ein Hauptideal – nur muss zusätzlich die Seitigkeit (hier zunächst: rechts) des Ideals angegeben werden.[Anm 16]

Der folgende Pseudocode zeigt einen euklidischen Algorithmus zum Auffinden eines linken größten gemeinsamen Teilers (ggT) zweier Hurwitzquaternionen in  .

     Hurwitzquaternionen  
    
       
           der Rest aus der Division  
       
    

Das Ergebnis ist ein linker Teiler   von   und  , d. h., es gibt   mit   und  . Er ist bis auf rechtsseitige Multiplikation mit einer Hurwitz-Einheit   eindeutig bestimmt, bspw.   und  . Man kann also stets eine Lipschitzquaternion als Ergebnis des Algorithmus auswählen. Außerdem ist   auch größter Teiler, d. h., es gibt kein betragsmäßig größeres   mit  , das linker Teiler von   und   ist. Das bedeutet auch, dass der linke ggT der beiden obigen rechtsseitigen Faktoren von   eine Einheit ist:  .

Generell kann man die beiden Faktoren bei jeder Quaternionenmultiplikation   und gleichzeitig überall die Begriffe „rechts“ und „links“ vertauschen, was zu den Funktionen   und   führt.

Der Ring   ist also auch links-euklidisch, d. h., zu 2 Zahlen   und   gibt es   und   mit

  und  .

Und jedes Linksideal in   ist ein Links-Hauptideal.

Fazit
  ist zweiseitig euklidisch – oder euklidisch schlechthin.

Einige einfache Rechenregeln für den ggT für beliebige  , wobei das Suffix   für eine der Seitigkeiten des ggT steht:

  1.   und  
  2.  
  3.   und analog  
  4.  

Und es gilt auch das beidseitige Lemma von Bézout, d. h., es gibt

  mit       (linkes Lemma von Bézout)
  mit       (rechtes Lemma von Bézout)

wobei die   als Nebenprodukte des resp. euklidischen Algorithmus anfallen (und auch aus der Funktion   herausgeführt werden können, s. den Artikel Erweiterter euklidischer Algorithmus).

Automorphismen Bearbeiten

Als Automorphismus einer algebraischen Struktur   gilt eine bijektive Abbildung  , bei der alle algebraischen Verknüpfungen homomorph behandelt werden, d. h. bspw.

 .

Der Primkörper   des Schiefkörpers   muss immer fest bleiben. Dagegen können die 3 imaginären Einheiten   (die die Quaternionengruppe Q8 erzeugen) in eine jeweils andere überführt werden. Die Automorphismen von Q8 lassen sich alle zu Automorphismen von   (eindeutig) fortsetzen. Die Untergruppen   und   von   erben diese Automorphismen durch Einschränkung. Somit sind die Automorphismengruppen  ,   und   isomorph zu   und zur Drehgruppe des Oktaeders, die wiederum zur symmetrischen Gruppe S4 isomorph ist.

Die Automorphismen lassen sich durch (für  ) „innere“ Automorphismen realisieren:

Von den 24 Quaternionen
 
werden auf   Automorphismen vermittelt vermöge  . Die ändern sich nicht, wenn wir die   auf die Einheits-3-Sphäre projizieren. Die Ergebnisse   erzeugen die Gruppe  , welche   und isomorph zur binären Oktaedergruppe 2O ist, 48 Elemente und Zentrum   hat.

Die Faktorgruppe   hat 24 Elemente und ist damit isomorph zu den hier besprochenen Automorphismengruppen (und zur symmetrischen Gruppe S4).

Die Konjugation als Spiegelung an der reellen Achse ist involutiv und (wie schon bei Q8) antihomomorph[6] in der Multiplikation, d. h.

 ,

und wird deshalb als involutiver Antiautomorphismus bezeichnet.

Assoziierte Elemente Bearbeiten

Der Begriff der zueinander assoziierten Elemente kann für nicht-kommutative Ringe etwas weiter gefasst werden: 2 Elemente   und   sind zueinander erweitert assoziiert, wenn es 2 Einheiten   gibt mit  . Zu einer Hurwitzquaternion gibt es höchstens 242/2 = 288 erweitert Assoziierte, da auf einer der beiden Seiten die ganze Gruppe   auf der anderen nur die Faktorgruppe Modulo dem Zentrum durchlaufen werden muss. Die Assoziiertheit ist wie im kommutativen Fall eine Äquivalenzrelation.

Ist  , so ist entweder   oder   (siehe Hurwitz-Gitter), d. h., zu jeder Hurwitzquaternion gibt es links (und genauso rechts) assoziierte Lipschitzquaternionen.

Die Konjugierte ist normalerweise nicht assoziiert.

Ideale Bearbeiten

Die Hurwitzquaternionen bilden eine Ordnung (im Sinn der Ringtheorie) in ihrem Quotientenkörper, dem Divisionsring (Schiefkörper)   der Quaternionen mit rationalen Koeffizienten. Sie sind dort sogar eine Maximalordnung oder auch Ganzheitsring. Die Lipschitzquaternionen – als auf den ersten Blick näher liegende Kandidaten für das Konzept ganzer Quaternionen – stellen auch eine Ordnung dar, sind aber nicht maximal und haben keine Division mit kleinem Rest. Deshalb sind sie weniger geeignet für die Entwicklung einer Idealtheorie, die mit der algebraischen Zahlentheorie vergleichbar wäre. Adolf Hurwitz hat dies erkannt – ein großer Schritt in der Theorie der Maximalordnungen. Ein anderer war die Feststellung, dass sie – bei einem nicht-kommutativen Ring wie   – nicht eindeutig sind (alle rein imaginären Einheitsquaternionen haben   zum Quadrat), so dass man sich auf eine festlegen muss, wenn man das Konzept der algebraischen ganzen Zahl auf den Schiefkörper   übertragen möchte.

Für   mit  , also  , ist der Automorphismus   von   auch ein (äußerer) Automorphismus von  . Das Linksideal   ist gleich

 ,

somit auch Rechtsideal, also zweiseitig und gleich für alle diese 24 Erzeugenden  . Ferner ist es ein maximales Ideal mit Faktorring   isomorph zu  , dem endlichen Körper der Charakteristik 2, dessen multiplikative Gruppe isomorph ist zu   und der die 3-ten primitiven Einheitswurzeln enthält (siehe Additions- und Multiplikationstafel).   ist genauso maximal in   mit Faktorring  .[Anm 17]

Prime Elemente, Faktorisierung Bearbeiten

Eine Hurwitzquaternion ist prim in   genau dann, wenn ihre Norm prim in   ist.

Folgende Besonderheiten der natürlichzahligen (rein reellen) Hurwitzquaternionen   sind im Kontext der Primelementzerlegung von Belang:

  1.   ist mit jeder anderen Hurwitzquaternion   vertauschbar, d. h.,  .
  2. Ein   ist niemals prim in  .
  3. Ist   prim in  , dann gibt es nach dem Satz von Jacobi   prime Hurwitzquaternionen mit ganzzahligen Koeffizienten   und   Hurwitzquaternionen mit halbzahligen Koeffizienten  , deren Norm   ist (und die deshalb nur ausnahmsweise zueinander assoziiert oder konjugiert sein können).[Anm 18]

Jede Hurwitzquaternion lässt sich in Primteiler zerlegen, wobei die Reihenfolge der Primteiler in folgendem Sinn vorgegeben werden kann: Sei   eine Hurwitzquaternion und

 

eine Zerlegung ihrer Norm in Primfaktoren  . Dann gibt es zu jeder Reihenfolge dieser Primfaktoren eine Zerlegung von

 

in Primelemente in   mit

  für  .[Anm 19]

Bei vorgegebener Primzahlsequenz ist die Faktorisierung bis auf Einheiten zwischen den Primelementen bzw. links und rechts davon und den vielen Aufspaltungsmöglichkeiten eines natürlichen Teilers (dazu muss in der Primzahlsequenz eine Primzahl mindestens 2 Mal vorkommen) eindeutig. Für die Faktorisierung in   stehen mehrere Algorithmen zur Verfügung. Ein der Primzahl   in   korrespondierendes Primelement   in   kann man bspw. mit der oben beschriebenen Funktion   dingfest machen und dann eben links von   abspalten. Ist das Ergebnis von  , dann kommt die Primzahl   in der Primzahlsequenz mindestens 2 Mal vor, und man kann unter ihren vielen Jacobi-Aufspaltungen ein beliebiges Primelement auswählen.[Anm 20]

Metrik, Vervollständigung und Potenzreihenentwicklung Bearbeiten

Archimedische Bewertung und Metrik Bearbeiten

Die „natürliche“ Bewertung des Schiefkörpers   ist die Betragsbewertung

 .

Da jede Größe durch Vervielfachung einer Einheitsgröße betragsmäßig überholt werden kann, wird diese Bewertung archimedisch genannt.[Anm 21] Dieser Betrag induziert die Metrik

 ,

die genau dem euklidischen Abstand im   entspricht. Sie erfüllt bekanntlich die Axiome für Metriken:

      (1) Definitheit  ,
      (2) Symmetrie  ,
      (3) Dreiecksungleichung                          .

Die Vervollständigung von   für die Metrik   führt zu  , den Quaternionen mit reellen Koeffizienten. Die Vervollständigung von   für die Metrik   führt zu nichts Neuem, da   eine diskrete Teilmenge von   ist.

Zu jeder Hurwitzquaternion   gibt es eine eindeutige Darstellung durch jede der zwei endlichen Reihen

      oder    

mit der Basis  [7], Ziffern   (s. Abschnitt #Hurwitz-Einheiten), Basispotenzen rechts bzw. links davon und einem   mit  .

Dieses Stellenwertsystem, das sich auf ganz   erweitern lässt, hat folgende Eigenschaften:

Nichtarchimedische Bewertung und Metrik Bearbeiten

Zu einer festen Primzahl   sei für jedes  

   mit   

der  -Exponent der Norm. Diese (Exponenten-)Bewertung erfüllt:

     (A) Definitheit  ,
     (B) Multiplikativität  ,
     (C) verschärfte Dreiecksungleichung             .

Man beachte, dass der  -Exponent der Norm zu einer Primzahl   die Bedingung (C) nicht erfüllt.[Anm 24] Dass es bei   klappt, liegt an der Zweiseitigkeit des Ideals  .

Man kann   eine Gruppe von „Einheiten“

 

zuordnen, zu der es für   einen Bewertungsring gibt.[Anm 25]

Der Bewertungsring zu   ist

 ,

ein lokaler Ring mit dem maximalen Ideal

 ,

wobei   die (skalaren) Normen der Nenner von   beisteuert. Den Anschluss zu den 2-adisch ganzrationalen Zahlen schafft wegen   die Gleichung

 .[Anm 26]

Die durch   definierte Abstandsfunktion

 

erfüllt ebenfalls die Axiome für Metriken. Dazu noch die

       verschärfte Dreiecksungleichung             ,

die   zu einer Ultrametrik macht. Die Vervollständigung von   für diese Metrik führt zu

 ,

den Quaternionen mit 2-adischen Koeffizienten. Der vervollständigte Bewertungsring ist

 ,

der mit der Vervollständigung   des Rings   der Hurwitzquaternionen zusammenfällt, weil   in    -dicht liegt[Anm 27]. Hierbei ist   die eindeutige Fortsetzung von   auf  .

Aus den Nebenklassen
des Ideals   zu bildende
Ringe   und  
 
 
 
 
 
 
 
 

Das vervollständigte Bewertungsideal ist

 ,

wo   mit  , und der Restklassenkörper   ist isomorph zu dem im Abschnitt Ideale erwähnten  .

Wenn wir   als Vervollständigungsoperator nehmen, erhalten wir das nebenstehende Diagramm für die Vervollständigungen der Nebenklassen von  , die allerdings im Unterschied zu oben keine Gitter mehr sind.

Wie bei den p-adischen Zahlen haben wir, bei einem festen Primelement  , eine eindeutige  -adische Darstellbarkeit eines Elementes   durch jede der zwei  -konvergenten Reihen

        oder      

mit   (s. o. Repräsentantensystem) und Potenzen der Basis links bzw. rechts davon. Die Elemente  , und nur diese rationalen Elemente, haben periodische Darstellungen.[Anm 28]

[Anm 29]

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Anmerkungen Bearbeiten

  1. Denn ist  , dann ist entweder   oder   ; ist jedoch  , dann ist   und entweder   oder  , welch letzteres  .    Somit gibt es zu beliebigen   Repräsentanten   und Elemente   derart, dass   und  . Dann ist
     
               
               .
    Wegen der multiplikativen Abgeschlossenheit von   ist auch  . Somit ist   eine der 4 Partitionen von  , und es folgt das gesuchte Resultat:
     .
  2. Als das   aus Semidirektes Produkt#Definition ist die Konjugation   zu nehmen.
    Neben den genannten Normalteilern Q8 und   hat   nur zyklische Untergruppen der Ordnungen 3, 4 und 6. Die 8 Hurwitzeinheiten   haben die Ordnung 6 und die 8 mit   multiplizierten   die Ordnung 3. Somit enthält   (und damit auch   und  ) neben 6 primitiven 4-ten auch 8 primitive 6-te aber keine primitiven 12-ten Einheitswurzeln.
  3. Im   gibt es 5 reguläre Körper, die sog. Platonischen Körper. Sie haben alle eine Entsprechung im  : Obiger 16-Zeller ist bspw. als Kreuz-4-Polytop das Analogon des Kreuzpolytops Oktaeder und der 8-Zeller als Maß-4-Polytop das des Maßpolytops Würfel. Und nach Coxeter, Table I: Regular polytopes, (iii) The three regular polytopes in n dimensions (n ≥ 5) Seite 294f gibt es in den Dimensionen > 4 als reguläre Polytope nur Simplex, Kreuzpolytop und Maßpolytop.
    Der 24-Zeller ist zusammengesetzt aus Kreuzpolychor (16-Zeller) und Maßpolychor (8-Zeller). In jeder Dimension lässt sich Kreuzpolytop und Maßpolytop zusammensetzen, d. h. die Menge der Ecken beider Polytope auf der Einheitssphäre platzieren. Nur in der zweiten, wo es banal ist, und eben in der vierten Dimension lässt sich ein reguläres Ergebnis arrangieren.
  4. Zu jeder Dimension gibt es eine Parkettierung des euklidischen Raums mit dem Maßpolytop. Bei Dimensionen > 4 gibt es keine andere reguläre.
  5. Diese Ecken sind  , sind die Mittelpunkte der Oktaeder auf dem Rand des von der Einheitengruppe   markierten 24-Zellers und markieren damit den zu ihm dualen 24-Zeller. Das Oktaeder auf seinem Rand mit der Eckenkonfiguration   fällt zusammen mit dem Oktaeder mit der Eckenkonfiguration   auf dem Rand des um   versetzten 24-Zellers mit Mittelpunkt  . Da aber das erstere Oktaeder durch die Multiplikation mit einem Element   in jedes der 24 Oktaeder auf dem Rand der Grundmasche überführt werden kann und dabei   in jeden der 24 Gitternachbarn des Ursprungs übergeht, ferner die Elemente   – als Obermenge von   – das ganze Gitter   erzeugen, müssen die Mittelpunkte aller Maschen dieser Parkettierung genau aus den Punkten aus   bestehen.
  6. Eine Zelle (d. i. ein Oktaeder) gehört 2 Maschen an. An einer Ecke stoßen 8 Maschen zusammen; jeweils 2 Mittelpunkte solcher Maschen sind in derselben Nebenklasse von  , nämlich antipodische. Es gibt keine Nachbarmasche mit nur Kante oder nur Dreieck gemeinsam. Die Maschen sind alle parallel zueinander.
  7. Es kommen also drei 16-Zeller auf einen 24-Zeller der dualen Parkettierung, genauer: 24 facettenartig um die   als Pol angeordnete und an dem Oktaeder in ihrer Äquator-Hyperebene halbierte 16-Zeller füllen exakt den 24-Zeller  . Die Maschen fallen in 3 Parallelitätsklassen entsprechend der Gruppe  .
  8. Dieses Phänomen hat Ähnlichkeit mit der Packung des Kreises in der Parkettierung der Ebene mit dem regulären 6-Eck bei einer Kusszahl von 6 und einer Packungsdichte von  . Im   gibt es die Einheits-1-Sphäre, die auch eine Lie-Gruppe ist, nämlich die U(1). Das entsprechende Gitter sind die Eisenstein-Zahlen.
  9. Für die Bestimmung von   ist es unerheblich, welcher von den qualifizierenden Gitterpunkten   ausgewählt wird, und für   ist es unerheblich, ob zum Vergleichen der Betrag   oder die Norm   herangezogen wird.    Bei einem kompakten Polytop werden die Entfernungsextrema in den Ecken angenommen. Bei ausreichender Symmetrie der Masche sind Punkte auf dem Rand von den Mittelpunkten der Maschen, auf deren Rand sie liegen, gleich weit entfernt; innere Punkte einer Masche haben einen eindeutigen nächsten Gitterpunkt, den Mittelpunkt der Masche.
  10. Die Grundmasche der Lipschitz-Parkettierung hat einen Radius von 1. Tatsächlich ergibt eine Umschau unter den 8 Gitterpunkten   in der Nachbarschaft, dass die 16 Ecken   der Grundmasche (als Endpunkte der Raumdiagonalen in allen Tesserakten) von ihnen mindestens 1 entfernt sind.
  11. Diese Zuordnung eines Punktes   zu einer Masche ist eindeutig, und die Ecke   ist der einzige Punkt der Masche, der von   einen Abstand 1 hat; alle anderen sind näher.
  12. Die Grundmasche der Hurwitz-Parkettierung hat einen Radius von  . Ihre 24 Ecken von der Art
     
    sind von jedem Gitterpunkt   mindestens   entfernt.
  13. Das Ergebnis ist von vornherein eindeutig für Quaternionen, die im Inneren einer Masche der Hurwitz-Parkettierung liegen. Bei Quaternionen auf dem Rand (sie liegen ebenfalls auf dem Rand einer Nachbarmasche) bevorzugt der Pseudocode Maschenmittelpunkte  , wodurch die Maschen inkongruent werden. Dem lässt sich abhelfen, indem man im Fall gleicher Abweichung nach lexikographischer Ordnung auswählt.
  14. Der Maschenradius des Gitters
      im      beträgt        bei einem 1-Volumen von 1,
    der des Gitters der Gaußschen Zahlen
      im      ist        bei einem 2-Volumen von 1
    und der des Gitters der Eisenstein-Zahlen
      im      ist        bei einem 2-Volumen von  .
  15. Nach dem unter Maschenradius Gesagten gilt wegen   und   sogar
     ,
    während der Ring   bei Quotienten, die genau auf die Punkte   fallen, die euklidische Bedingung verfehlt. Tatsächlich ist   kein Hauptideal in  , denn das (rechte oder linke) Erzeugnis in   eines jeden der 3 Primelemente  ,   oder   enthält die beiden anderen Primelemente nicht, wogegen sie in   miteinander assoziiert sind und ein jedes für sich allein das Ideal   erzeugt.
  16. Ist  , dann ist   ein Hauptideal. Ist   ein Rechtsideal in  , dann gibt es ein   mit kleinster positiver Norm. Zu jedem   gibt es wegen der Rechts-Euklidizität   und   mit   und  . Da aber   minimal ist mit  , muss   sein. D. h.,   ist ein Rechts-Vielfaches von   und   das Rechts-Hauptideal  .
  17. Reell erzeugte Hauptideale sind ebenfalls zweiseitig, während die übrigen Nichteinheiten
     
    (sie haben alle eine Norm  ) nur einseitige Linksideale   bzw. Rechtsideale   erzeugen. Demnach ist   das einzige maximale Ideal von  , welches zweiseitig ist. Dennoch ist der Ring   kein lokaler, da er weitere maximale (eben einseitige) Ideale enthält.    Modulo einem nur einseitigen Ideal kann man einen Faktorring nicht bilden, da die zu „erbende“ Multiplikation nicht wohldefiniert werden kann (das Ideal müsste dafür Normalteiler sein und nicht nur Untergruppe). Und der Faktorring modulo einem reell erzeugten Hauptideal   hat Nullteiler (die Erzeugende ist nicht prim).
  18. Allgemeiner ist die Anzahl der Quadratsummenzerlegungen einer ungeraden Zahl   als   gleich   für   und gleich   für   mit   als der Teilersummenfunktion.
  19. Beispiel für Varianten der Primfaktorzerlegung:
    (Die Vektornotation soll u. a. die Beliebigkeit der Zuordnung der Komponenten zu den Einheitsvektoren   zum Ausdruck bringen.) Die zu zerlegende Hurwitzquaternion sei (13,13,13, 0) mit einer Norm von 507 = 3·13·13. Die Primzahl 13 wurde gewählt, weil sie die kleinste Primzahl ist, die 2 wesentlich verschiedene, d. h. nicht assoziierte und nicht konjugierte, Zerlegungen
    • (3, 2, 0, 0)·(3,-2, 0, 0) = (2, 2, 2, 1)·(2,-2,-2,-1)
    jeweils zur Primzahlsequenz 13·13 besitzt. Zur Primzahlsequenz 3·13·13 hat (13,13,13, 0) die Zerlegungen:
    • ( 1, 1, 1, 0)·( 3,-2, 0, 0)·( 3, 2, 0, 0)
    • ( 1, 1, 1, 0)·( 2,-2,-2,-1)·( 2, 2, 2, 1)
    zur Primzahlsequenz 13·3·13
    • ( 3, 2, 0, 0)·( 0, 1, 1,-1)·( 2,-2,-2, 1)
    • ( 2,-2,-2,-1)·( 0, 1, 1, 1)·( 3, 2, 0, 0)
    • ( 2, 2, 2, 1)·( 1,-1,-1, 0)·( 2, 2, 2,-1)
    zur Primzahlsequenz 13·13·3
    • ( 3, 2, 0, 0)·( 3,-2, 0, 0)·( 1, 1, 1, 0)
    • ( 2, 2, 2, 1)·( 2,-2,-2,-1)·( 1, 1, 1, 0)
    Es gibt unter den Zerlegungen zur Sequenz 13·3·13 übrigens keine Zerlegung des Typs   (3,2,0,0)·(1,1,1,0)·(3,2,0,0).
  20. Bei den Gaußschen Zahlen   gibt es rein reelle Primelemente, nämlich die Primzahlen   mit  . Die Primzahlen   haben genau 2 Primteiler in  , die   eindeutig zerlegen und zueinander konjugiert sind.
  21. Man kann ihr eine Gruppe von „Einheiten“
     
    zuordnen, zu der es allerdings wegen der Archimedizität keinen (Bewertungs-)Ring gibt.
  22. Alle Quaternionen mit mehrfacher Darstellbarkeit sind rational aus  . Z. B. gibt es drei Darstellungen für
          
    und genauso alle   mit  , wobei die Periode wie üblich durch eine über die periodischen Ziffern gezogene Linie gekennzeichnet ist.
  23. Mit dem folgenden Pseudocode lassen sich Hurwitzquaternionen in ein Stellenwertsystem zu einer Basis   mit 4 Ziffern – alle mit Norm ≤1 – codieren. Nach S. Khmelnik, der die Basis −1±i zum ersten Mal (1964) für die komplexen Zahlen vorgeschlagen hat, hängt die Endlichkeit der Darstellung sowohl von der Basis wie vom Ziffernsatz ab. Für   geeignete Stellenwertsysteme sind   mit Erzeugenden   von   (s. Abschnitt #Hurwitz-Einheiten). Statt   kann auch jedes andere Element der Ordnung 4   genommen werden.
      Hurwitzquaternion  
         " " die leere Zeichenkette
         Die Schleife terminiert für   und geeignete Stellenwertsysteme.
           Genau eine der Ziffern aus dem 4-wertigen Ziffernsatz …
                  qualifiziert sich.
                Wenn die Norm gerade ist, …
               … ist diese Division (eine rechte) ohne Rest.
                 Der Code   für die neue Ziffer …
               … wird dem Ergebnis links vorangestellt.
              
           

    Das Auswahlkriterium für die Ziffern ist eines der Teilbarkeit – also ein nichtarchimedisches. Deshalb werden auch die Ziffern aufsteigend von den niedrigen zu den hohen Potenzen von   geliefert. Die Potenzen sind hier rechte – daher der Funktionsname – Faktoren der Ziffern. Dazu passt das von links nach rechts absteigende Horner-Schema, z. B.

        .
     
    Eine Überdeckung der Gaußschen Zahlen durch ein Stellenwertsystem zur Basis i-1 mit Ziffernsatz {0,1}

    Üblicherweise sind bei archimedischen Stellenwertsystemen die Terme mit Exponenten ≥ 0 links; Nachkommastellen schließen sich rechts vom optionalen Stellenwert-Trennzeichen » « an, das in seiner Asymmetrie anzeigt, auf welcher Seite die Exponenten negativ unendlich werden können. Das angehängte Subskript   drückt aus, dass   die Basis ist und dass deren Potenzen sich von rechts mit den Koeffizienten (Ziffern) multiplizieren. Somit haben wir z. B.

        .

    Ein genuin archimedisches Auswahlkriterium für die Ziffern, welches die Ziffern von den hohen Potenzen absteigend liefert und sich für ganz   eignet, ist wesentlich komplizierter zu formulieren, wie man schon an der Form des nebenstehenden drachenförmigen Gebiets erkennen kann.
    Es zeigt das von einer Potenz   in der Gauß-Ebene in eindeutiger Weise durch Summen niedrigerer Potenzen erreichbare Gebiet in gleichen Grautönen – bei jedem Potenzschritt wird ein exaktes Duplikat der Vereinigung des Bisherigen hinzugefügt.

    Additionstafel
             
             
             
             
             

    Das additive Erzeugendensystem   von   hat die resp. Codierungen  . (Die Codierungen sind vom Typ  , die Potenzen der Basis   stehen also rechts in ihrem Term. Das Trennzeichen ist bei ganzen Zahlen weggelassen.) Hiermit und mit Hilfe der gezeigten Additionstafel lässt sich jede Hurwitzquaternion codieren. (Für den Bau einer Arithmetik für die Hurwitzquaternionen sind jedoch Additionstafeln geschickter, die zu jeder der 9 Ziffernsummen zweier Summanden und jedem der 225 möglichen Überträge die neuen Überträge enthalten.) Wegen   bedürfen von der Multiplikationstafel nur die Quadrate

        und
     

    einer Erwähnung.

    Vertauschungsregeln
             
             
             

    Mit den Vertauschungsregeln können Ziffern von der rechten auf die linke Seite von   gebracht werden. Da   und   im Zentrum liegen, haben wir          und       , so dass sich die Tabelle auf 3 Einträge beschränken kann. Weitere Codierungsbeispiele:

            ,  
                .

  24. Denn für alle Primelemente   mit   ist  . Wenn nun der Realteil   sein sollte, dann lässt sich unter Beibehaltung des bisher Gesagten durch Multiplikation mit einer der Quaternionen   sicherstellen, dass  . Dann ist     , also  . Wo doch für eine Bewertung         sein müsste.
  25. Wir haben die Reihe von Normalteilern  . Die sind verschieden, denn es ist z. B.   und  .
  26.   ist Unterring des Schiefkörpers   und ist die Lokalisierung des Rings   an seinem Primideal  , seiner einzigen endlichen Stelle.    Die einzige unendliche Stelle ist die oben erwähnte archimedische.    Die Betragsfunktion zu einer nicht-trivialen Division mit Rest ist notwendigerweise archimedisch.
  27. wegen (Satz von Euler und eulersche φ-Funktion)   für  
  28. In diesem Artikel seien bei nichtarchimedischen Stellenwertsystemen die Terme mit Exponenten ≥ 0 ebenfalls links vom Trennzeichen platziert; Terme mit negativen Exponenten (bei „gebrochenen“ Zahlen) sind dann rechts vom optionalen Stellenwert-Trennzeichen » «, das in seiner Asymmetrie anzeigt, in welcher Richtung die Exponenten unendlich werden können, also den Unterschied zwischen archimedischer und nichtarchimedischer Darstellung markiert. Das angehängte Subskript   drückt aus, dass   die Basis ist und dass deren Potenzen sich rechts von den Koeffizienten (Ziffern) befinden.
    Z. B. ist
              im System   und
               im System  .

    Die folgende Funktion   kann im nichtarchimedischen Kontext alle Quaternionen aus   beliebig genau codieren, auch solche die keine endlichen Codierungen haben (deshalb die Erweiterung um die maximale Stellenzahl gegenüber der archimedischen Funktion).

      Quaternion  , maximale Stellenzahl  
         " " die leere Zeichenkette
        
              Das Ergebnis   ist vollständig.
           Genau eine der Ziffern aus dem 4-wertigen …
                … Ziffernsatz   qualifiziert sich.
             Wenn die Norm gerade ist, …
               … ist diese Division (eine rechte) ohne Rest.
               Das Zeichen für die neue Ziffer …
               … wird dem Ergebnis links vorangestellt.
              
         Das Ergebnis   ist nicht vollständig.

    Die für den archimedischen Fall genannten Codierungssysteme sind auch für   (und  ) geeignet, insbesondere da die   Primelemente in   sind und so als Basis   genommen werden können.
    Sind für ein   nichtarchimedische und archimedische Codierung (bei gleichem System) beide endlich, dann stimmen auch die Codes überein.

  29. Die Sonderstellung der 2 unter den Primzahlen kommt auch bei den folgenden Überlegungen zur Nullteilerfreiheit von vollständigen,   umfassenden Algebren heraus: Sei   eine ungerade Primzahl. Nach dem Vier-Quadrate-Satz gibt es 4 Summanden   mit  . Nun ist   quadratischer Rest  , es gibt also nach dem henselschen Lemma ein   mit  , so dass  . Mit dem Ergebnis, dass es unter den Quaternionen mit p-adischen Koeffizienten für   Nullteiler gibt. Im englischen Wikipediaartikel Quaternion algebra#Quaternion algebras over the rational numbers wird festgestellt, dass die Vervollständigungen des Körpers   nur über den Stellen   und   nullteilerfrei sind.
    • Für alle ungeraden Zahlen   ist  , also ist die Summe von 1 bis 4 ungeraden Quadraten  . Somit gibt es keine 4 Quadrate in  , die nicht-trivial zu   aufsummieren,   enthält also keine Nullteiler – wie es sein muss.
    • Schon bei 5 Summanden sieht es ganz anders aus:
    Alle   benötigen wenigstens 4 Summanden  , damit ihre Quadrate die Summe   bilden. Andererseits ist   quadratischer Rest  , es gibt also ein   mit  . Für   sei nun   derart, dass  , und sei  . Dann ist      , d. h., es gibt eine  -konvergente Folge  , deren Quadrat   ist. Mit dem Ergebnis, dass die Summe aus den 5 Quadraten   verschwindet.
    Alle   oder   benötigen wenigstens 3 Summanden  , damit ihre Quadrate die Summe   bilden. Andererseits sind weder   noch   quadratische Reste  , es braucht also mindestens 2 zusätzliche Zahlen   und   für  . Wie oben kann   so gewählt werden, dass   verschwindet.
    • Aus jedem dieser Ergebnisse folgt weiter, dass es in den Quaternionenalgebren mit Koeffizienten aus den über   quadratischen Körpern  ,  ,   und   (die Aufzählung ist vollständig) Nullteiler gibt.
    • Nullteiler gibt es auch unter den Quaternionen mit Koeffizienten aus dem über   quadratischen Körper   wegen der Quadratsumme  .
    Solche Erweiterungen einer Quaternionenalgebra werden als Skalarerweiterungen bezeichnet. Durch sie können im Tensorring Nullteiler hinzukommen. Wegen   und   sind weder 120-Zeller noch 600-Zeller Polytope des  . Nach Conway, 3.5 The Finite Groups of Quaternions, S. 33, sind alle Quaternionen über  , die endliche Ordnung haben, in  .

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Conway 5.5 Factoring the Lipschitz Integers, S. 62.
  2. Conway 5.5 Factoring the Lipschitz Integers, S. 62.
  3. Bei Conway 5.5 Factoring the Lipschitz Integers, S. 62, wegen seiner Dualität zu D4 bezeichnet als D4*
  4. Eric W. Weisstein: Hypersphere Packing. In: MathWorld (englisch).
  5. Oleg R. Musin: The kissing number in four dimensions. In: Annals of Mathematics. Vol. 168, Nr. 1, 2008, S. 1–32, arxiv:math/0309430.
  6. Eric W. Weisstein: Antihomomorphism. In: MathWorld (englisch).
  7. Solomon I. Khmelnik: Specialized digital computer for operations with complex numbers. In: Questions of Radio Electronics. Band XII, Nr. 2, 1964 (russisch, izdatelstwo.com [PDF]).