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Quaternion

aus AufEinWort, der freien Forschung
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ℍ

Die Quaternionen (Singular die oder das Quaternion, von lat. quaternio m. „Vierheit“) sind ein Zahlenbereich, der den Zahlenbereich der reellen Zahlen erweitert – ähnlich den komplexen Zahlen und über diese hinaus. Beschrieben (und systematisch fortentwickelt) wurden sie ab 1843 von William Rowan Hamilton;[1] sie werden deshalb auch hamiltonsche Quaternionen oder Hamilton-Zahlen genannt. Olinde Rodrigues entdeckte sie bereits 1840 unabhängig von Hamilton.[2] Trotzdem wird die Menge der Quaternionen meistens mit ℍ bezeichnet.

Die Quaternionen bilden einen Schiefkörper (oder Divisionsring), bei dem die Multiplikation auch von der Reihenfolge der Faktoren abhängt, also nicht kommutativ ist. Das heißt, es gibt Quaternionen x und y, bei denen

xy≠yx

ist. Einige aus dem Reellen bekannte Rechenregeln gelten deshalb für Quaternionen nicht, jedoch gelten Assoziativ- und Distributivgesetz sowie multiplikative Invertierbarkeit, d. h. die Existenz des Inversen x−1 zu jedem x≠0. Die Quaternionen waren das erste Beispiel eines nichtkommutativen Schiefkörpers.[3]

Quaternionen erlauben in vielen Fällen eine rechnerisch elegante Beschreibung des dreidimensionalen euklidischen Raumes und anderer Räume, insbesondere im Kontext von Drehungen. Daher verwendet man sie unter anderem in Berechnungs- und Darstellungsalgorithmen für Simulationen sowie zur Auswertung kristallographischer Texturen.[4] Sie sind aber auch als eigenständiges mathematisches Objekt von Interesse und dienen so zum Beispiel im Beweis des Vier-Quadrate-Satzes.

Konstruktion

Die Quaternionen entstehen aus den reellen Zahlen durch Hinzufügen (Adjunktion) dreier neuer Zahlen, denen in Anlehnung an die komplex-imaginäre Einheit die Namen i, j und k gegeben werden. So ergibt sich ein vierdimensionales Zahlensystem (mathematisch ein Vektorraum) mit einem Realteil, der aus einer reellen Komponente besteht, und einem Imaginärteil aus drei Komponenten, der auch Vektorteil genannt wird.

Alle Quaternionen lassen sich eindeutig in der Form

x0+x1i+x2j+x3k

mit reellen Zahlen x0, x1, x2, x3 schreiben. Damit bilden die Elemente 1,i,j,k eine Basis, die Standardbasis der Quaternionen über ℝ. Die Addition erfolgt komponentenweise und wird vom Vektorraum geerbt. Multiplikativ werden die neuen Zahlen i, j, k gemäß den Hamilton-Regeln

i2=j2=k2=ijk=−1

verknüpft. Die Skalarmultiplikation ℝ×ℍ→ℍ, die ebenfalls vom Vektorraum geerbt wird[5] und bei der die Skalare als mit jedem Element vertauschbar angesehen werden, zusammen mit der Addition, dem Rechtsdistributivgesetz und den Hamilton-Regeln erlauben es, die Multiplikation von der Basis auf alle Quaternionen zu erweitern. Da so auch jeder Skalar λ∈ℝ als λ+0i+0j+0k in ℍ eingebettet wird, kann ℝ als Unterring von ℍ aufgefasst werden.

Die so definierte Multiplikation ist assoziativ, erfüllt die beiden Distributivgesetze[6] und macht so die Quaternionen zu einem Ring. Sie ist allerdings nicht kommutativ, d. h., für zwei Quaternionen x und y sind die beiden Produkte xy und yx im Allgemeinen verschieden (s. u.). Das Zentrum von ℍ×, also die Menge derjenigen Elemente der multiplikativen Gruppe von ℍ, die mit allen Elementen kommutieren, ist ℝ×.

Die Quaternionen bilden einen Schiefkörper (Divisionsring), da es zu jeder Quaternion x≠0 eine inverse Quaternion x−1 gibt mit

xx−1=x−1x=1 .

Wegen der fehlenden Kommutativität werden Notationen mit Bruchstrich, wie z. B. yx, vermieden.

Des Weiteren sind die Quaternionen eine vierdimensionale Divisionsalgebra über ℝ – und bis auf Isomorphie die einzige.

Schreibweise

Im weiteren Text werden folgende Schreibweisen benutzt:

Ist x eine Quaternion, dann werden ihre reellen Komponenten mit x0,x1,x2,x3 bezeichnet, und diese sind der Basis 1,i,j,k folgendermaßen zugeordnet:

x=x0+x1i+x2j+x3k.

Gelegentlich wird eine vektorielle Schreibweise benötigt. Dabei werden bspw. die Komponenten (x1,x2,x3) zu einem 3-dimensionalen Vektor x→ zusammengefasst, sodass man x mit dem 4-dimensionalen Vektor (x0,x→)=(x0,x1,x2,x3) identifizieren kann.[7]

Analoge Abmachungen sollen für andere Buchstaben wie y etc. gelten.

In manch älterer Literatur wurden Quaternionen mit großen Frakturbuchstaben und die imaginären Einheiten als Einheitsvektoren mit kleinen 𝔢n in Fraktur bezeichnet, z. B. so:

𝔛=x0+𝔢1x1+𝔢2x2+𝔢3x3=∑j=03𝔢jxj

mit 𝔢0=1.

Komplexe Zahlen tragen meist den Namen z und haben die reellen Komponenten ξ, η.

Grundrechenarten

Die Konstruktion der Quaternionen ist der der komplexen Zahlen analog, allerdings wird nicht nur eine neue Zahl hinzugefügt, sondern derer drei, die mit i, j und k bezeichnet werden.

Die Linearkombinationen

x01+x1i+x2j+x3k

über der Basis {1,i,j,k} spannen mit reellen Komponenten xi den 4-dimensionalen Vektorraum der Quaternionen ℍ auf. Als Vektorraum ist ℍ isomorph zu ℝ4. Das Basiselement 1, das die reellen Zahlen injektiv einbettet (und zugleich das neutrale Element der Multiplikation darstellt), wird in der Linearkombination meist weggelassen. Die Addition und Subtraktion geschieht komponentenweise.

Vom Vektorraum wird auch die Skalarmultiplikation übernommen, also die linke und rechte Multiplikation mit einer reellen Zahl, die distributiv zu jeder Komponente multipliziert wird. Diese Skalarmultiplikation ist eine Einschränkung der Hamilton-Multiplikation, die auf ganz ℍ definiert ist. Die Hamilton-Multiplikation der Basiselemente untereinander oder etwas umfassender innerhalb der Menge

Q8:={1,i,j,k,−1,−i,−j,−k}

geschieht nach den Hamilton-Regeln

  • i2=j2=k2=−1
(1)
  • ij=+k,jk=+i,ki=+j
(2)
  • ji=−k,kj=−i,ik=−j
(2¯).

Diese Regeln zusammen mit der Vertauschbarkeit von ±1 mit jedem anderen Element geben eine vollständige Tafel für eine Verknüpfung vor, die sich als assoziativ erweist und Q8 zu einer Gruppe macht – der Quaternionengruppe.

Unter Voraussetzung der Regel (1) (und der Gruppenaxiome) ist die Kombination aus (2) und (2¯), in der das zyklische und antizyklische Verhalten der drei nicht-reellen Quaternionen-Einheiten zum Ausdruck kommt, ersetzbar durch die Einzelregel

  • ijk=−1
(3).

Diese Einzelregel (3) könnte auch durch jede der fünf alternativen Einzelregeln jki=−1, kij=−1, kji=1, jik=1 oder ikj=1 ersetzt werden.

Mithilfe dieser Ersetzungsregeln, des Assoziativgesetzes und (linken sowie rechten) Distributivgesetzes lässt sich die Multiplikation auf ganz ℍ fortsetzen. Die i,j,k kann man wie anti-kommutierende Variablen behandeln. Treten Produkte von zweien von ihnen auf, so darf man sie nach den Hamilton-Regeln ersetzen.

Die ausgearbeiteten Formeln für die zwei Verknüpfungen von zwei Quaternionen

x=x0+x1i+x2j+x3k   und   y=y0+y1i+y2j+y3k

lauten

x+y=(x0+y0)+(x1+y1)i+(x2+y2)j+(x3+y3)k(Addition)

bzw.

xy=(x0y0−x1y1−x2y2−x3y3)(Multiplikation)+(x0y1+x1y0+x2y3−x3y2)i+(x0y2−x1y3+x2y0+x3y1)j+(x0y3+x1y2−x2y1+x3y0)k

Herleitung:[8]

xy=(x0+x1i+x2j+x3k)(y0+y1i+y2j+y3k)=x0y0+x1y1ii+x2y2jj+x3y3kk+x0y1i+x1y0i+x2y3jk+x3y2kj+x0y2j+x1y3ik+x2y0j+x3y1ki+x0y3k+x1y2ij+x2y1ji+x3y0k=x0y0−x1y1−x2y2−x3y3+(x0y1+x1y0+x2y3−x3y2)i+(x0y2−x1y3+x2y0+x3y1)j+(x0y3+x1y2−x2y1+x3y0)k.

Damit sind die für einen Ring erforderlichen zwei Verknüpfungen definiert. Es ist leicht nachgerechnet, dass alle Ring-Axiome erfüllt sind.

Das additive Inverse ist (wie in jedem Vektorraum) das Produkt mit dem Skalar −1. Die Subtraktion ist die Addition dieses Inversen.

Die für einen Schiefkörper erforderliche Division muss wegen der fehlenden Kommutativität durch eine Multiplikation mit dem (multiplikativen) Inversen ersetzt werden (siehe Inverses und Division).[9]

Gegenring

Ist (R,+,⋅) ein Ring, dann wird der mit der Multiplikation

x∘y:=y⋅x

ausgestattete Ring Rop:=(R,+,∘) als Gegenring bezeichnet. Hier folgen alle Ringgesetze, das heißt das Assoziativgesetz sowie beide Distributivgesetze, aus den ursprünglichen Gesetzen. Im Gegenring ℍop, der wegen der Nicht-Kommutativität von ℍ von diesem verschieden ist, gelten alle im Abschnitt Grundrechenarten angeführten Rechenregeln bis auf die Multiplikation, bei der die Vorzeichen der Terme, die nur Koeffizienten xmyn mit m≠n und m≠0≠n haben, invertiert sind. Ferner gilt die Kurzform

i∘j∘k=+1.

Im Übrigen hat Gauß laut Lam.[3] die Quaternionenmultiplikation im Jahr 1819 genau so definiert.

Des Weiteren ist die Orientierung des Dreibeins (i,j,k) in ℍop gespiegelt. Die Identität auf der Grundmenge ℝ4 ist ein Antiisomorphismus und die Konjugation ein Isomorphismus.

Die Nichtkommutativität ist gleichbedeutend mit der Verschiedenheit von ℍ und ℍop. Da beide Ringe die Ringaxiome der Quaternionen erfüllen, muss dieses Axiomensystem „unvollständig“ sein im Sinne Hölders. In diesem Sinn vollständig sind die Axiomensysteme der rationalen, reellen oder komplexen Zahlen.

Grundlegende Begriffe

Skalarteil und Vektorteil

Aufgrund der besonderen Stellung der Komponente x0 einer Quaternion

x=x0+x1i+x2j+x3k

bezeichnet man sie – wie bei den komplexen Zahlen – als Realteil oder Skalarteil

Re⁡x:=x0 ,

während die Komponenten x1,x2,x3 zusammen den Imaginärteil oder Vektorteil

Im⁡x:=x1i+x2j+x3k

bilden. Häufig identifiziert man den Vektorteil auch mit dem Vektor x→:=(x1,x2,x3)∈ℝ3.

Konjugation

Zu jeder Quaternion

x=x0+x1i+x2j+x3k

ist die konjugierte Quaternion definiert als

x¯:=x0−x1i−x2j−x3k .

Da hier der Imaginärteil mit seinen Einheitsvektoren verknüpft bleibt und der Realteil als reelle Zahl eindeutig in die Quaternionen einzubetten ist, ergeben sich die einfachen Beziehungen

x=Re⁡x+Im⁡x

und

x¯=Re⁡x−Im⁡x ,

aus denen sich unmittelbar

Re⁡x=12(x+x¯)

und

Im⁡x=12(x−x¯)

ausrechnet.[10]

Ist eine Quaternion gleich ihrer Konjugierten, so ist sie reell, d. h., der Vektorteil ist null. Ist eine Quaternion gleich dem Negativen ihrer Konjugierten, so ist sie eine reine Quaternion, d. h., der Skalarteil ist null.

Weitere wichtige Eigenschaften der Konjugation sind:

  • (x¯)‾=x

Die Konjugation ist eine Involution.

  • x+y‾=x¯+y¯ und
    λx‾=λx¯ für reelle Zahlen λ
Die Konjugation ist ℝ-linear.
  • xy‾=y¯x¯

Die Konjugation ist ein involutiver Antiautomorphismus.

  • x‾=−12(x+ixi+jxj+kxk)    

Die Konjugation lässt sich „mit arithmetischen Mitteln“ darstellen.[11]

Skalarprodukt

Das Skalarprodukt ⟨⋅,⋅⟩:ℍ×ℍ→ℝ zweier Quaternionen, aufgefasst als Vektoren im ℝ4, ist definiert durch

⟨x,y⟩:=x0y0+x1y1+x2y2+x3y3 .

Es gilt

⟨x,y⟩=Re⁡(x¯y)=Re⁡(xy¯)=12(xy¯+yx¯) .

Es ist eine positiv definite symmetrische Bilinearform, über die sich Norm und Betrag definieren lassen und mit der Winkel und Orthogonalität bestimmt werden können.

Ferner kann man damit die einzelnen Komponenten einer Quaternion isolieren:

x0=⟨1,x⟩,x1=⟨i,x⟩,x2=⟨j,x⟩,x3=⟨k,x⟩ .

Das aus der Physik weit verbreitete Vorgehen, das Skalarprodukt abkürzend wie eine Multiplikation mit dem Mittepunkt „⋅“ zu notieren, wird auch bei den Quaternionen häufig angewandt, wobei hier die Verwechslungsgefahr zwischen Quaternionenmultiplikation und Skalarprodukt hoch ist.

Im Folgenden verwenden wir folgende Konvention:

  • Das Quaternionenprodukt wird stets ohne Benutzung des Mittepunkts durch Aneinanderreihung der Faktoren notiert.
  • Das Skalarprodukt, und zwar sowohl das 4- wie das 3-dimensionale, wird in Multiplikationsschreibweise mit dem Mittepunkt „⋅“ notiert.

Kreuzprodukt

Das Kreuzprodukt zweier Quaternionen x,y ist das Kreuzprodukt (Vektorprodukt) ihrer Vektorteile und bis auf den Faktor 2 ihr Kommutator. Ist x=:(x0,x→) und y=:(y0,y→), so ist

x×y:=x→×y→=12(xy−yx)=(x2y3−x3y2)i+(x3y1−x1y3)j+(x1y2−x2y1)k.

Quaternionenmultiplikation als Skalar- und Kreuzprodukt

Identifiziert man Quaternionen

x=x0+x1i+x2j+x3k
und

y=y0+y1i+y2j+y3k

mit Paaren aus einem Skalar ∈ℝ und einem Vektor ∈ℝ3

x=(x0,x→)   mit   x→:=(x1,x2,x3)
bzw.

y=(y0,y→)   mit   y→:=(y1,y2,y3) ,

so lässt sich die Multiplikation mithilfe des (dreidimensionalen) Skalarprodukts und Kreuzprodukts beschreiben:

xy=(x0,x→)(y0,y→)=(x0y0−x→⋅y→,x0y→+x→y0+x→×y→) .

Zwei Quaternionen sind demnach genau dann miteinander vertauschbar, wenn ihr Kreuzprodukt 0 ist, wenn also ihre Vektorteile als reelle Vektoren linear abhängig sind (s. a. Einbettung der komplexen Zahlen).

Norm und Betrag

Das Skalarprodukt einer Quaternion x mit sich selbst, welches gleich dem Quaternionenprodukt mit der Konjugierten ist, wird Norm genannt:

Norm⁡(x):=⟨x,x⟩=x02+x12+x22+x32=xx¯=x¯x [12]

Insbesondere ist dieser Wert reell und nichtnegativ.

Die Quadratwurzel daraus

x02+x12+x22+x32=:|x|

wird Betrag oder Länge der Quaternion x genannt und stimmt überein mit Betrag oder euklidischer Länge des Vektors (x0,x1,x2,x3). Er erfüllt die wichtige Eigenschaft

|xy|=|x||y| ,

die Multiplikativität des Betrags. Mit dem Betrag werden die Quaternionen zu einer reellen Banachalgebra.

Inverses und Division

Bei einer nicht-kommutativen Multiplikation muss man die Gleichungen

xb=a
und

by=a

unterscheiden. Wenn das Inverse b−1 existiert, dann sind

x=ab−1
bzw.

y=b−1a

respektive Lösungen, die nur dann übereinstimmen, wenn b und a kommutieren, insbesondere wenn der Divisor b reell ist. In solch einem Fall kann die Schreibweise ab verwendet werden – bei allgemeinen Divisionen wäre sie nicht eindeutig.

Wenn zusätzlich c−1 existiert, gilt die Formel

b−1c−1=(cb)−1,

denn

b−1c−1cb=1      und     (cb)−1cb=1 .

Für

x=x0+x1i+x2j+x3k≠0

ist die Norm

Norm⁡(x)=xx¯=x¯x=x02+x12+x22+x32>0

reell und positiv. Die Quaternion

x−1:=x¯xx¯

erfüllt dann die Bedingungen des Rechts-

xx−1=xx¯xx¯=1

und des Links-Inversen

x−1x=x¯x¯xx=1

und kann deshalb als das Inverse schlechthin von x bezeichnet werden.

Reine Quaternion

Eine Quaternion, deren Vektorteil 0 ist, wird mit der ihrem Skalarteil entsprechenden reellen Zahl identifiziert.

Eine Quaternion, deren Realteil 0 ist (äquivalent, deren Quadrat reell und nichtpositiv ist), nennt man rein, rein imaginär oder vektoriell. Die Menge der reinen Quaternionen wird als ℍpure oder Im⁡ℍ notiert. Sie ist ein dreidimensionaler reeller Vektorraum mit Basis {i,j,k}. Für reine Quaternionen nimmt die Multiplikation eine besonders einfache Form an:

(0,x→)(0,y→)=(−x→⋅y→,x→×y→) .

Einheitsquaternion

Eine Einheitsquaternion (auch normierte Quaternion, Quaternion der Länge 1) ist eine Quaternion, deren Betrag gleich 1 ist. Für sie gilt (analog zu den komplexen Zahlen)

|x|=1⟺xx¯=1⟺x¯=x−1.

Für eine beliebige Quaternion x≠0 ist

x|x|=x0|x|+x1|x|i+x2|x|j+x3|x|k

eine Einheitsquaternion, die man manchmal auch als das Signum oder den Versor von x bezeichnet.

Das Produkt zweier Einheitsquaternionen und die Inverse einer Einheitsquaternion sind wieder Einheitsquaternionen. Die Einheitsquaternionen bilden also eine Gruppe.

Geometrisch kann man die Menge der Einheitsquaternionen als die Einheits-3-Sphäre 𝕊3 im vierdimensionalen euklidischen Raum und damit als Lie-Gruppe interpretieren, mit dem Raum der reinen Quaternionen als zugehöriger Lie-Algebra. Die Darstellung als komplexe Matrizen verdeutlicht die umkehrbar eindeutige Entsprechung der Einheitsquaternionen mit der speziellen unitären Gruppe SU(2).

Die einzigen reellen Einheitsquaternionen sind ±1. Sie machen auch das Zentrum von 𝕊3 aus.

Reine Einheitsquaternion

Einheitsquaternionen, die auch reine Quaternionen sind, lassen sich als diejenigen Quaternionen charakterisieren, deren Quadrate −1 ergeben:

ϵ0=0∧ϵ12+ϵ22+ϵ32=1⟺ϵ2=−1.[13]

Sie liegen in der Äquatorhyperebene der 3-Sphäre 𝕊3 und machen die Einheits-2-Sphäre 𝕊2 des dreidimensionalen Raums Im⁡ℍ aus.

Einbettung der komplexen Zahlen

Jede Quaternion ϵ mit Quadrat −1 definiert einen Einbettungsisomorphismus ιϵ der komplexen Zahlen in die Quaternionen

ιϵ:ℂ→ℍu+viℂ↦u+vϵ

mit u,v∈ℝ und iℂ als imaginärer Einheit der komplexen Zahlen. Dabei sind die Bildmengen der ϵ und ϵ¯ entsprechenden Einbettungen identisch: ιϵ(ℂ)=ιϵ‾(ℂ).

Eine jede solche Quaternion darf i genannt werden, eine senkrechte dazu j und ihr Produkt k.[14][15] Jede nicht-reelle Quaternion liegt in genau einer solchen Einbettung von ℂ . Zwei Quaternionen sind genau dann vertauschbar, wenn es eine gemeinsame Einbettung gibt.

Zwei verschiedene Bilder haben die reelle Achse zum Durchschnitt.

So betrachtet, sind die Quaternionen eine Vereinigung komplexer Ebenen.

Polardarstellung

Jede Einheitsquaternion x∘=x0+x1i+x2j+x3k≠±1 kann auf eindeutige Weise in der Form

x∘=cos⁡ϕ+ϵsin⁡ϕ
mit dem Polarwinkel[16] von x∘
ϕ:=arccos⁡(x0)=arccos⁡(Re⁡x∘)∈]0,π[
und der reinen Einheitsquaternion
ϵ:=x1i+x2j+x3k1−x02=x1i+x2j+x3ksin⁡ϕ=Im⁡x∘|Im⁡x∘|=x→∘|x→∘|

dargestellt werden.

Mit der verallgemeinerten Exponentialfunktion lässt sich das wegen ϵ2=−1  auch schreiben als

x∘=exp⁡(ϵϕ)

mit der reinen Quaternion ϵϕ=:x′∈Im⁡ℍ. Will man also eine reine Quaternion x′≠0 exponentiieren, so ist ihr Betrag ϕ=|x′| und die reine Einheitsquaternion ϵ=x′/ϕ zu bilden, und es ergibt sich die Einheitsquaternion

exp⁡x′=cos⁡ϕ+ϵsin⁡ϕ.

Der Fall   exp⁡0=1   lässt sich stetig ergänzen. Damit ist die Exponentialabbildung exp⁡:Im⁡ℍ→𝕊3 surjektiv. Nun ist exp⁡x′=−1 für alle x′∈Im⁡ℍ mit |x′|=π, und das sind unendlich viele. Gleichwohl ist die Einschränkung exp⁡:{x′∈Im⁡ℍ∧|x′|<π}→𝕊3∖{−1} bijektiv. Sie ist stetig, wegen der Nicht-Kommutativität der Multiplikation aber kein Homomorphismus[17].

Allgemein lässt sich jede nicht-reelle Quaternion eindeutig in der Form

x=|x|(cos⁡ϕ+ϵsin⁡ϕ)
mit dem Polarwinkel von x
ϕ=arccos⁡(Re⁡x|x|)∈]0,π[
und der reinen Einheitsquaternion (der reinen und normierten Quaternion von x)
ϵ=Im⁡x|x|2−(Re⁡x)2=Im⁡x|x|sin⁡ϕ=x→|x→|

schreiben. Durch die Festlegung ϕ∈]0,π[ ist sin⁡ϕ>0, sodass ϵ in dieselbe Richtung wie der Vektorteil Im⁡x zeigt.

Jede nicht reell-negative Quaternion schreibt sich eindeutig als

x=|x|exp⁡x′

mit einer reinen Quaternion x′ mit   |x′|<π.

Diese Darstellungen sind der Polarform komplexer Zahlen

z=|z|(cos⁡ϕ+iℂsin⁡ϕ)=|z|exp⁡(iℂϕ)

(mit iℂ als imaginärer Einheit) analog. Für die Funktionalgleichung

xy=|x||y|exp⁡(x′+y′)

müssen x,y allerdings kommutieren.[17][18]

Funktionentheorie

Exponentialfunktion, Logarithmus

Das Exponential einer nicht-reellen Quaternion x ist:

exp⁡(x)=∑n=0∞xnn!=exp⁡(Re⁡x)(cos⁡|x→|+x→|x→|sin⁡|x→|)∈ℍ

mit x→:=Im⁡x .

Der (natürliche) Logarithmus einer nicht-reellen Quaternion x ist:

ln⁡(x)=ln⁡|x|+x→|x→|arccos⁡(Re⁡x|x|)∈ℍ [19]

Für nicht-reelles x sind sie Umkehrfunktionen voneinander

exp⁡(ln⁡(x))=x

und, falls |x→|<π,

ln⁡(exp⁡(x))=x .

Für nicht-reelles, mit x kommutierendes y gelten die Funktionalgleichungen

exp⁡(x+y)=exp⁡(x)exp⁡(y)

und

ln⁡(x)+ln⁡(y)=ln⁡(xy) ,

letzteres für x,y mit hinreichend kleinem Imaginärteil.

Fortsetzungen komplexer Funktionen

Im kommutativen Diagramm müssen sich gϵ und gζ auf ιϵℂ∩ιζℂ⊂ℍ vertragen.

Da ℍ als eine Vereinigung von Einbettungen komplexer Ebenen aufgefasst werden kann (s. Abschnitt #Einbettung der komplexen Zahlen), kann man versuchen, Funktionen g:ℂ→ℂ[20] mithilfe der genannten Einbettungsisomorphismen ιϵ vom Komplexen ins Quaternionische zu liften. Dabei ist zu fordern, dass die so gewonnenen Funktionen gϵ:ιϵ(ℂ)→ιϵ(ℂ)⊂ℍ mit gϵ(q):=ιϵ∘g∘ιϵ−1(q) bei Überschneidungen der Definitionsbereiche dasselbe Ergebnis liefern, sodass die vereinigte Funktion g~ auf der Vereinigungsmenge ∪ϵ(ιϵ(ℂ))=ℍ vermöge ∀q∈ℍ∃ϵ:q∈ιϵ(ℂ) als g~(q):=gϵ(q) in wohldefinierter Weise gebildet werden kann.

Sei g(z)=u(ξ,η)+v(ξ,η) iℂ eine komplexwertige Funktion ℂ→ℂ einer komplexen Variablen z=ξ+ηiℂ mit reellen ξ,η und reellen u(ξ,η),v(ξ,η).
Einbettbarkeit: g ist genau dann einbettbar in die Quaternionen, wenn u eine gerade und v eine ungerade Funktion des jeweils zweiten Arguments η ist.

Beweis 

Ist q eine beliebige nicht-reelle Quaternion, dann ist ϵ:=Im⁡q/|Im⁡q| eine reine und normierte Quaternion mit ϵ2=−1. Seien ferner ξ:=Re⁡q und η:=|Im⁡q|, die beide reell sind. Sowohl ιϵ wie ιϵ‾ ist ein Einbettungsisomorphismus für das Bild q. Im ersteren Fall ist zϵ:=ξ+ηiℂ∈ℂ das Urbild von q=ξ+ηϵ, im zweiten Fall haben wir wegen q=ξ+ηϵ=ξ−ηϵ¯ das Urbild zϵ‾:=ιϵ‾−1(ξ−ηϵ)=ξ−ηiℂ; jeweils mit iℂ als der imaginären Einheit von ℂ. Die Urbilder sind verschieden, das Bild, das bei der zu bildenden Funktion g~ als Argument fungieren soll, ist aber beidesmal q.
Das „Liften“ wird durch die Einbettung der Funktionswerte als

gϵ(q):=ιϵ(g(zϵ))=ιϵ(u(ξ,+η)+v(ξ,+η)iℂ)=u(ξ,+η)+v(ξ,+η)ϵ

und

gϵ‾(q):=ιϵ‾(g(zϵ‾))=ιϵ‾(u(ξ,−η)+v(ξ,−η)iℂ)=u(ξ,−η)+v(ξ,−η)ϵ¯

vervollständigt (s. Diagramm). Nun ist nach Voraussetzung

u(ξ,+η)=u(ξ,−η),v(ξ,+η)=−v(ξ,−η),

sodass sich

gϵ‾(q)=u(ξ,−η)+v(ξ,−η)ϵ¯=u(ξ,−η)−v(ξ,−η)ϵ=u(ξ,+η)+ v(ξ,+η)ϵ=gϵ(q)

ergibt und g~(q) nicht von der Wahl des Einbettungsisomorphismus abhängt.

Die Bedingung ist auch notwendig. Denn lässt umgekehrt die Funktion g(ξ+ηiℂ)=u(ξ,η)+v(ξ,η)iℂ eine Einbettung g~:ℍ→ℍ;q↦g~(q) in die Quaternionen zu, so gibt es zu jedem q∈ℍ eine geeignete reine Einheitsquaternion ϵ und reelle ξ,η mit q=ξ+ηϵ und

g~(q)=gϵ(ξ+ηϵ)=gϵ(ιϵ(ξ+ηiℂ))=ιϵ(g(ξ+ηiℂ))=ιϵ(u(ξ,+η)+v(ξ,+η)iℂ)=u(ξ,+η)+v(ξ,+η)ϵ.

Bei der konjugierten Quaternion ϵ¯=−ϵ hat die Einbettung ιϵ‾ dasselbe Bild ιϵ‾(ℂ)=ιϵ(ℂ) wie ιϵ und also gϵ‾ dieselbe Definitionsmenge wie gϵ. Der Funktionswert

g~(q)=gϵ‾(ξ−ηϵ¯)=gϵ‾(ιϵ‾(ξ−ηiℂ))=ιϵ‾(g(ξ−ηiℂ))=ιϵ‾(u(ξ,−η)+v(ξ,−η)iℂ)=u(ξ,−η)+v(ξ,−η)ϵ¯=u(ξ,−η)−v(ξ,−η)ϵ

muss also mit dem vorigen für alle ξ,η∈ℝ übereinstimmen. ■

Die eingebettete Funktion g~ stimmt auf allen Teilmengen ιϵ(ℂ)≅ℂ mit g überein, kann also als Fortsetzung von g angesehen werden und, wenn Verwechslungen nicht zu befürchten sind, wird auch der Funktionsname beibehalten.

Ist g(z)=u(ξ,η)+v(ξ,η)iℂ eine einbettbare Funktion, so ist v(ξ,0)=−v(ξ,0) wegen der Ungeradheit von v in der zweiten Variablen, also v(ξ,0)=0 und g(z)∈ℝ für z∈ℝ. Somit folgt aus der Einbettbarkeit, dass die Einschränkung aufs Reelle reell ist.[21] Zu dieser Klasse von komplexen Funktionen gehören Norm und Betrag, aber auch alle Laurent-Reihen ∑n=−∞∞anzn mit reellen Koeffizienten an, so die Exponential- und Logarithmusfunktion.[22]

Analysis

Schwieriger ist es, eine allgemeine quaternionische Analysis mit Differential- und/oder Integralrechnung aufzustellen. Ein Problem springt unmittelbar ins Auge: der Begriff des Differenzenquotienten f(x+h)−f(x)h, der in der reellen wie der komplexen Analysis so erfolgreich ist, muss wegen der Nicht-Kommutativität als linke und rechte Version definiert werden. Legt man dann genauso strenge Maßstäbe wie bei der komplexen Differenzierbarkeit an, dann stellt sich heraus, dass bestenfalls lineare Funktionen, und zwar x↦a+xb links und x↦a+bx rechts, differenzierbar sind.[23] Immer definieren lässt sich aber eine Richtungsableitung und das Gâteaux-Differential.

Ausgehend von den Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungen und dem Satz von Morera wurde folgender Regularitätsbegriff gefunden: Eine quaternionische Funktion ist regulär an der Stelle x, wenn ihr Integral über jeder hinreichend kleinen x umschließenden Hyperfläche verschwindet.[24][25][26]

Beschreibung anderer Konstrukte mit Hilfe von Quaternionen

Minkowski-Skalarprodukt

Das Minkowski-Skalarprodukt zweier Quaternionen, aufgefasst als Vektoren im Minkowski-Raum, ist der Skalarteil von xy:

x0y0−x1y1−x2y2−x3y3=Re⁡(xy).

Vektoranalysis

Im Folgenden werden Vektoren im dreidimensionalen Raum ℝ3 mit reinen Quaternionen ∈Im⁡ℍ, also die üblichen (x,y,z)-Koordinaten mit den (x1,x2,x3)-Komponenten identifiziert. Definiert man den Nabla-Operator (wie Hamilton) als

∇→=i∂∂x+j∂∂y+k∂∂z

und wendet ihn auf eine skalare Funktion f(x,y,z) als (formale) Skalarmultiplikation an, erhält man den Gradienten

∇→f=grad⁡f=i∂f∂x+j∂f∂y+k∂f∂z.

Die Anwendung auf ein Vektorfeld

F→(x,y,z)=iF1(x,y,z)+jF2(x,y,z)+kF3(x,y,z)

als (formales) Skalarprodukt ergibt die Divergenz

∇→⋅F→=div⁡F→=∂F1∂x+∂F2∂y+∂F3∂z .

Die Anwendung auf ein Vektorfeld als (formales) Kreuzprodukt ergibt die Rotation

∇→×F→=rot⁡F→=i(∂F3∂y−∂F2∂z)+j(∂F1∂z−∂F3∂x)+k(∂F2∂x−∂F1∂y) .

Die Anwendung auf ein Vektorfeld als (formales) Produkt zweier reiner Quaternionen ergibt

∇→F→=−div⁡F→+rot⁡F→

mit −div⁡F→ als Skalarteil und rot⁡F→ als Vektorteil der Quaternion.

Zweimalige Anwendung auf eine Funktion f ergibt den Laplace-Operator △

∇→2f:=∇→⋅(∇→f)=div⁡(grad⁡f)=−△f=−(∂2f∂x2+∂2f∂y2+∂2f∂z2),

d. h., ∇ wirkt wie ein Dirac-Operator als (formale) „Quadratwurzel“ des (negativen) Laplace-Operators.

Drehungen im dreidimensionalen Raum

Einheitsquaternionen können für eine elegante Beschreibung von Drehungen im dreidimensionalen Raum verwendet werden: Für eine feste Einheitsquaternion q ist die Abbildung

ρq:x↦qxq−1   bzw.   ρq:x↦qxq‾

auf Im⁡ℍ eine Drehung. (Hier, wie im Folgenden, ist nur von Drehungen die Rede, die den Ursprung festlassen, d. h., deren Drehachse durch den Ursprung verläuft.)

Die Polardarstellung stellt die Einheitsquaternion q≠±1 durch einen Winkel 0<α<2π und eine reine Einheitsquaternion ϵ eindeutig dar als

q=cos⁡α2+ϵsin⁡α2 .

Dann ist ρq  eine Drehung des ℝ3  um die Achse ϵ∈ℝ3  mit Drehwinkel α.

Für jede Einheitsquaternion q definieren q und −q dieselbe Drehung; insbesondere entsprechen 1 und −1 beide der identischen Abbildung (Drehung mit Drehwinkel 0). Im Unterschied zur Beschreibung von Drehungen durch orthogonale Matrizen handelt es sich also um keine 1:1-Entsprechung, zu jeder Drehung ρ gibt es genau zwei Einheitsquaternionen q mit ρq=ρ.

Die Hintereinanderausführung von Drehungen entspricht der Multiplikation der Quaternionen, d. h.

ρq1∘ρq2=ρq1q2.

Die Umkehrung der Drehrichtung entspricht dem Inversen:

ρq−1=ρq−1.

Damit ist die Abbildung

ρ:𝕊3→SO(3)q↦ρq

ein Homomorphismus der Gruppe 𝕊3 der Einheitsquaternionen in die Drehgruppe SO(3). Sie ist eine Überlagerung der SO(3), und da ein Bildelement ρq genau die zwei Urbilder ±q∈𝕊3 hat, zweiblättrig, weshalb der Homomorphismus auch 2:1-Überlagerung(shomomorphismus)[14] genannt wird. Ferner ist sie universell, da SU(2)≅𝕊3 einfach zusammenhängend ist.

Bezug zu orthogonalen Matrizen

Explizit entspricht der Einheitsquaternion q∈𝕊3,

q=q0+q1i+q2j+q3k

mit qi∈ℝ und Norm⁡(q)=q02+q12+q22+q32=1, die Drehmatrix

Dq:=[q02+q12−q22−q32−2q0q3+2q1q22q0q2+2q1q32q0q3+2q1q2q02−q12+q22−q32−2q0q1+2q2q3−2q0q2+2q1q32q0q1+2q2q3q02−q12−q22+q32]=[1−2(q22+q32)−2q0q3+2q1q22q0q2+2q1q32q0q3+2q1q21−2(q12+q32)−2q0q1+2q2q3−2q0q2+2q1q32q0q1+2q2q31−2(q12+q22)]∈SO(3),

diese Formel ist auch als Euler-Rodrigues-Formel bekannt. Sie bildet eine reine Quaternion ξ auf (0,Dqξ→)=qξq−1 ab.

Ist umgekehrt die Drehmatrix

D=[d11d12d13d21d22d23d31d32d33]∈SO(3)[27]

gegeben und ist die Spur

TD:=d00+d11+d22+d33>0 mit d00:=1 ,

dann bewerkstelligt die Quaternion

qD:=TD+(d32−d23)i+(d13−d31)j+(d21−d12)k

die Drehung Dξ→, denn es ist qDξqD−1=(0,Dξ→) für jede reine Quaternion ξ .

Wenn man die homogen formulierte Version von Dq als Eingabematrix nimmt, produziert die gezeigte Lösung mit d00:=Norm⁡(q) die Quaternion qD=4q0q. Wegen det⁡(Dq)=Norm⁡(q)3 kann die Homogenität in den dij durch die Setzung d00:=det⁡(D)3 aufrechterhalten werden.

Die SO(3) hat wie die 𝕊3 über ℝ die Dimension 3. Die neun Komponenten von D können also nicht alle frei wählbar sein. Da einer jeden Matrix D∈SO(3) eine Quaternion q entspricht, decken die Drehmatrizen Dq die ganze SO(3) ab. Bei Dq ist TDq=4q02. Falls also wirklich D∈SO(3), ist auch qD2TD die Einheitsquaternion zu qD.

Bezug zu Eulerwinkeln

Für Eulerwinkel gibt es verschiedene Konventionen; die folgende Darlegung bezieht sich auf die Drehung, die man erhält, wenn man zuerst um die z-Achse um den Winkel 2Ψ, dann um die neue x-Achse um den Winkel 2Θ und schließlich um die neue z-Achse um den Winkel 2Φ dreht, d. i. die sog. „x-Konvention“ (z, x’, z’’) mit allen Winkeln doppelt. Die Einzeldrehungen entsprechen den Einheitsquaternionen

cos⁡Ψ+ksin⁡Ψ,cos⁡Θ+isin⁡Θ,cos⁡Φ+ksin⁡Φ,

und da jeweils um die mitgedrehten Achsen gedreht wird, ist die Reihenfolge der Komposition umgekehrt. Die Gesamtdrehung entspricht also

(cos⁡Ψ+ksin⁡Ψ)(cos⁡Θ+isin⁡Θ)(cos⁡Φ+ksin⁡Φ)
=cos⁡Ψcos⁡Θcos⁡Φ−sin⁡Ψcos⁡Θsin⁡Φ
+i(cos⁡Ψsin⁡Θcos⁡Φ+sin⁡Ψsin⁡Θsin⁡Φ)
+j(−cos⁡Ψsin⁡Θsin⁡Φ+sin⁡Ψsin⁡Θcos⁡Φ)
+k(sin⁡Ψcos⁡Θcos⁡Φ+cos⁡Ψcos⁡Θsin⁡Φ).

Für andere Konventionen ergeben sich ähnliche Formeln.

Die Eulerwinkel zu einer gegebenen Quaternion lassen sich an der zugehörigen Drehmatrix ablesen.

Universelle Überlagerung der Drehgruppe; Spingruppe

Wie im Abschnitt Einheitsquaternionen gezeigt, gibt es einen durch die Hamiltonschen Zahlen vermittelten Isomorphismus zwischen der Gruppe 𝕊3 der Einheitsquaternionen und der speziellen unitären Gruppe SU(2). Diese beiden Gruppen sind isomorph zur Spingruppe Spin(3) (zur Physik: siehe Spin).

Die 2:1-Überlagerung liefert also einen Homomorphismus der Spingruppe Spin(3) in die Drehgruppe SO(3). Diese Überlagerung ist zweiblättrig und universell, da Spin(3)≅SU(2)≅𝕊3 im Gegensatz zur SO(3) einfach zusammenhängend ist. Die natürliche Operation von SU(2) auf ℂ2 ist eine sog. Spinordarstellung.

Die aus der Quantenmechanik bekannten sog. Pauli-Matrizen σ1,σ2,σ3 stehen in einfacher Beziehung zu den drei Erzeugenden i,j,k der SU(2). Das wird besonders deutlich in der Darstellung als komplexe Matrizen:

σ1=[0110]=−iℂk,σ2=[0−iℂiℂ0]=−iℂj,σ3=[100−1]=−iℂi ,

dabei ist iℂ die imaginäre Einheit der komplexen Zahlen.

Die Pauli-Matrizen haben −1 zur Determinante (sind also keine Quaternionen), sind spurfrei und hermitesch und kommen daher in der Quantenmechanik als messbare Größen in Frage, was sich für die Anwendungen (s. mathematische Struktur der Quantenmechanik) als wichtig erwiesen hat. Einzelheiten sind im Artikel SU(2) dargestellt.

Orthogonale Abbildungen des vierdimensionalen Raumes

Analog zum dreidimensionalen Fall kann man jede orientierungserhaltende orthogonale Abbildung von ℍ in sich selbst in der Form

ρa,b:x↦axb¯

für Einheitsquaternionen a,b beschreiben. Es gilt

ρa1,b1∘ρa2,b2=ρa1a2,b1b2undρa¯,b¯=ρa,b−1.

Diese Konstruktion liefert eine Überlagerung

SU(2)×SU(2)→SO(4)

mit Kern {(1,1),(−1,−1)}.

Die endlichen Untergruppen

Der 2:1-Überlagerungshomomorphismus

ρ:q↦ρq,

der einer Einheitsquaternion q∈𝕊3 die 3D-Drehung

ρq:Im⁡ℍ→Im⁡ℍx↦qxq¯

zuordnet, muss eine endliche Gruppe Q von Quaternionen in eine endliche Gruppe ρ(Q):={ρq∣q∈Q} überführen, die dann eine endliche Drehgruppe im ℝ3 ist. Man findet zyklische Gruppen Cn und Polyedergruppen, also die Diedergruppen Dn (Zählweise der n-Ecke), die Tetraedergruppe T, die Oktaedergruppe O und die Ikosaedergruppe I.

Die Erzeugenden der zyklischen Gruppen sind Einbettungen von Einheitswurzeln exp⁡(2πiℂ/n).[28] Die Urbilder der Dn, T, O, I unter ρ werden mit 2Dn, 2T, 2O, 2I bezeichnet und heißen binäre Diedergruppe etc. Für eine Polyedergruppe P ist also 2P:={q∣ρq∈P}.[29]

Die endlichen Gruppen von Quaternionen sind demnach:[14] (2≤n∈ℤ)

Gruppe erzeugt
von
Ordnung konvexe Hülle im ℝ2 bzw. ℝ4
Cn ⟨en⟩ n reguläres n-Eck
2Dn ⟨e2n,j⟩ 4n {2n}◻{2n},[30] bei n=2 zugleich: reguläres 16-Zell
2T ⟨i,ω⟩ 24 reguläres 24-Zell
2O ⟨qO,ω⟩ 48 f1,2F4[30] = Dihektaoktokontaoktochor (288-Zell)
2I ⟨qI,ω⟩ 120 reguläres 600-Zell

mit

en:=exp⁡(2πi/n) ,   ω:=−1+i+j+k2 ,   qO:=j+k2 ,   qI:=2i+(5+1)j+(5−1)k4 .

Die zyklischen Gruppen Cn sind in naheliegender Weise Untergruppen von anderen Gruppen. Die Quaternionengruppe Q8 = 2D2 ist eine Untergruppe der binären Tetraedergruppe 2T. Die Automorphismengruppe von Q8 ist isomorph zur Oktaedergruppe O=Sym4 (Symmetrische Gruppe). Ihre Elemente sind ebenfalls Automorphismen von 2T, 2O, 2I und ℍ.

Die konvexen Hüllen sind (bis auf die Fälle Cn, bei denen man mit 2 Dimensionen auskommt) 4-Polytope und haben, da alle Gruppenelemente von der Länge 1 sind, die Einheits-3-Sphäre 𝕊3 als Um-3-Sphäre. Die Ränder dieser 4-Polytope, also die Zellen, sind Ansammlungen von Tetraedern – bis auf den Fall 2T, bei dem es Oktaeder sind. Bei den regulären unter den konvexen Hüllen ist es klar, dass die Zellen ebenfalls regulär und zueinander kongruent sind und es eine In-3-Sphäre gibt, die alle Zellen (an ihrem Mittelpunkt) berührt. Die übrigen, nämlich 2Dn und 2O, spannen sog. perfekte[30] 4-Polytope auf. Hier sind die Zellen tetragonale Disphenoide, welche ebenfalls alle zueinander kongruent sind und an ihrem Mittelpunkt von der In-3-Sphäre berührt werden.

Automorphismen

Ein jeder Ring-Automorphismus σ von ℍ ist ein innerer,[31] d. h., es gibt eine Quaternion q, sodass σ(x)=qxq−1 für alle x∈ℍ. Daraus folgt:

Die Konjugation als Spiegelung an der reellen Achse ist antihomomorph[32] in der Multiplikation, d. h. xy‾=y¯x¯, und wird als involutiver Antiautomorphismus bezeichnet, weil sie zudem eine Involution ist.

Andere Konstruktionen

Matrixdarstellungen

Komplexe Matrizen

Im Ring ℂ2×2 der komplexen 2×2-Matrizen bildet man den von den Elementen

1H:=[1001],iH:=[iℂ00−iℂ],jH:=[01−10],kH:=[0iℂiℂ0]

erzeugten Unterring H,[33] wobei die imaginäre Einheit der komplexen Zahlen als iℂ kenntlich gemacht ist.[34] Eine Matrix

x01H+x1iH+x2jH+x3kH=[x0+x1iℂx2+x3iℂ−x2+x3iℂx0−x1iℂ]=[wz−z‾w‾]

mit reellen x0,x1,x2,x3 und komplexen w:=x0+x1iℂ,z:=x2+x3iℂ hat die Determinante x02+x12+x22+x32=|w|2+|z|2, die nur dann 0 ist, wenn (w,z)=(0,0). Somit sind alle von der Nullmatrix verschiedenen Matrizen invertierbar – und der Ring H ist ein Schiefkörper.[35]

Der so konstruierte Schiefkörper erweist sich als isomorph zu den Quaternionen. Denn die Abbildung ℍ→H mit den Zuordnungen

1↦1H,i↦iH,j↦jH,k↦kH

ist homomorph in den Verknüpfungen Addition und Multiplikation, wobei letztere der Matrizenmultiplikation zuzuordnen ist. Die konjugierte Quaternion geht auf die adjungierte Matrix und die Norm auf die Determinante. Darüber hinaus ist die Abbildung injektiv und stetig, also topologisch.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten für die Einbettung ℍ→H, die alle zueinander konjugiert und homöomorph sind.[36]

Reelle Matrizen

Ganz analog kann man die Quaternion x0+x1i+x2j+x3k auch als reelle 4×4-Matrix

[x0x1x2x3−x1x0−x3x2−x2x3x0−x1−x3−x2x1x0]
=x0[1000010000100001]+x1[0100−1000000−10010]+x2[00100001−10000−100]+x3[000100−100100−1000]

schreiben. Die Konjugation der Quaternion entspricht der Transposition der Matrix und der Betrag der vierten Wurzel aus der Determinante.

Das Modell der reellen Matrizen ist bspw. dann vorteilhaft, wenn man eine Software für lineare Algebra mit Schwächen bei den komplexen Zahlen hat.

Quotientenalgebra

Eine elegante, aber zugleich abstrakte Konstruktion stellt der Weg über den Quotienten des nichtkommutativen Polynomrings in drei Unbestimmten dar, deren Bilder i,j,k sind, modulo dem Ideal, das von den Hamilton-Regeln erzeugt wird. Alternativ kommt man auch mit nur zwei Unbestimmten aus.

Auf diese Weise ergibt sich die Quaternionen-Algebra als Clifford-Algebra der zweidimensionalen, euklidischen Ebene mit Erzeugern i↦e1,j↦e2,k=ij↦e1e2. Im Zusammenhang mit dreidimensionalen Drehungen ist auch die Interpretation als der gerade Anteil der Clifford-Algebra des dreidimensionalen, euklidischen Raumes wichtig. Die Erzeuger werden dann mit i↦e2e3,j↦e3e1,k↦e1e2 identifiziert.

Die Quaternionen als Algebra

Es gibt bis auf Isomorphie genau vier endlichdimensionale ℝ-Algebren, deren Multiplikation ohne Nullteiler ist, nämlich den Körper ℝ der reellen Zahlen selbst, den Körper ℂ der komplexen Zahlen, den Schiefkörper ℍ der Quaternionen und den Alternativkörper 𝕆 der Cayleyschen Oktaven.[37][38][39]

Das Zentrum von ℍ ist ℝ; die Quaternionen sind also eine zentraleinfache Algebra über ℝ. Reduzierte Norm und Spur sind durch

Nrd(x)=|x|2=xx¯=x¯x=⟨x,x⟩      bzw.      Trd(x)=2⋅Re⁡x

gegeben.

Beim Basiswechsel von ℝ zum algebraischen Abschluss ℂ werden die Quaternionen zu einer Matrizenalgebra:

ℍ⊗ℝℂ≅M2(ℂ).

Die komplexe Konjugation auf dem Faktor ℂ des Tensorproduktes entspricht einer Involution v der Matrizenalgebra. Die Invarianten von v, d. s. die von v fix gelassenen Elemente x mit v(x)=x, bilden eine zu ℍ isomorphe Algebra. Zur oben angegebenen Matrixdarstellung der Quaternionen als komplexe Matrizen passt die Involution

v(x):=ϵx¯ϵ−1   mit   ϵ:=[01−10] .

Die Tatsache, dass die Brauergruppe von ℝ nur aus zwei Elementen besteht, spiegelt sich auch darin wider, dass

ℍ⊗ℝℍ≅M4(ℝ)

ist.

Allgemein bezeichnet man jede vierdimensionale zentraleinfache Algebra über einem Körper als eine Quaternionenalgebra.

Die Quaternionen sind die Clifford-Algebra zum Raum ℝ2 mit einer negativ-definiten symmetrischen Bilinearform.

Andere Grundkörper

Quaternionen über den rationalen Zahlen

Bei allen obigen Arten der Konstruktion spielt die Vollständigkeit des Koeffizientenvorrats keine Rolle. Deshalb kann man (anstatt von den reellen Zahlen ℝ über ℂ=ℝ(i) zu ℍ) auch von anderen Grundkörpern, z. B. den rationalen Zahlen ℚ, ausgehen, um via gaußscher Zahlen ℚ(i) bei den Quaternionen mit rationalen Koeffizienten

G:={x0+x1i+x2j+x3k∣x0,x1,x2,x3∈ℚ}

anzukommen mit formal denselben Rechenregeln. Danach kann, falls überhaupt erforderlich, die Vervollständigung für die Betragsmetrik durchgeführt werden mit einem Endergebnis isomorph zu ℍ.

Insofern können bei vielen Aussagen ℝ durch ℚ, ℂ durch ℚ(i) und ℍ durch G ersetzt werden.

Da es nach dem Satz von Wedderburn keinen endlichen Schiefkörper mit nicht-kommutativer Multiplikation gibt und die Dimension des Vektorraums G über seinem Primkörper und Zentrum ℚ mit 22=4 minimal ist, gehört G als abzählbare Menge zu den „kleinsten“ Schiefkörpern mit nicht-kommutativer Multiplikation – auf jeden Fall enthält G keinen kleineren.

Der Schiefkörper G besitzt einen sogenannten Ganzheitsring, d. h. eine Untermenge von Zahlen, genannt Hurwitzquaternionen, die einen Ring bilden und G zum Quotientenkörper haben, ganz ähnlich, wie es sich bei den ganzen Zahlen ℤ und ihrem Quotientenkörper ℚ verhält. In einem solchen Ring lassen sich bspw. Approximationsfragen, Teilbarkeitsfragen u. Ä. untersuchen.


Weitere Grundkörper

Auch Körper K≆ℚ eignen sich als Ausgangspunkt zur Bildung nicht-kommutativer Erweiterungskörper nach Art der Quaternionen. Wichtig ist, dass in K die Summe aus vier Quadraten x02+x12+x22+x32 nur für x0=x1=x2=x3=0 verschwindet. Dann gibt es auch kein i∈K mit i2+1=0 und K(i) ist eine echte quadratische Erweiterung, die eine Konjugation definiert. Diese Bedingungen sind z. B. bei allen formal reellen Körpern erfüllt.

Aber auch bei Körpern, die nicht angeordnet werden können, kann die obige Bedingung betreffend die Summe aus vier Quadraten erfüllt sein, bspw. im Körper ℚ2 der 2-adischen Zahlen. Der so über ℚ2 gebildete Quaternionenkörper ist isomorph zur Vervollständigung des (oben beschriebenen) Körpers G der Quaternionen mit rationalen Koeffizienten für die folgende (nichtarchimedische diskrete) Bewertung v , dem 2-Exponenten der Norm,

v:G∗→Normℚ∗→v2ℤx↦xx¯↦v2(xx¯)

mit Norm⁡(x)=xx¯=2nm,n∈ℤ,m∈ℚ∗,2∤m,2∤m−1 . Die Primzahl p=2 ist die einzige, für die die Quaternionen-Algebra über ℚp nullteilerfrei und ein Schiefkörper ist.

Anwendungen

Eulerscher Vier-Quadrate-Satz

Die Identität, die aus dem Produkt zweier Summen von vier Quadraten

(x02+x12+x22+x32)(y02+y12+y22+y32)
=(x0y0−x1y1−x2y2−x3y3)2
+(x0y1+x1y0+x2y3−x3y2)2
+(x0y2−x1y3+x2y0+x3y1)2
+(x0y3+x1y2−x2y1+x3y0)2

wieder eine Summe von vier Quadraten macht, gilt universell – einschließlich aller Varianten, die durch Vorzeichenspiel und Permutation entstehen – in jedem Polynomring R[x0,x1,x2,x3,y0,y1,y2,y3] über einem kommutativen unitären Ring R und kann im Nachhinein als „Abfallprodukt“ der Multiplikativität des quaternionischen Betrags angesehen werden. Ihre Entdeckung 1748, also lange vor der Quaternionenzeit, geht jedoch auf Leonhard Euler zurück, der mit ihrer Hilfe den 1770 erstmals erbrachten Beweis von Joseph-Louis Lagrange für den lange vermuteten Vier-Quadrate-Satz wesentlich vereinfachen konnte. (Anmerkung: Die algebraisch beweisbaren bilinearen 2-, 4- und 8-Quadrate-Identitäten sind die Grundlagen der Kompositionsalgebren, nämlich der komplexen Zahlen, der Quaternionen, und der Oktonionen. Diese letzteren sind sozusagen die „Quadratwurzeln“ aus den ersteren. Alles, was somit korrekt mit Quaternionen berechnet wird, steht bocksteif auf elementaren algebraischen Identitäten. Wie Adolf Hurwitz 1898 bewies,[40] gibt es außer den erwähnten 2-, 4- und 8-Quadrate-Identitäten keine weiteren bilinearen n-Quadrate-Identitäten mehr.)

Informatik und Ingenieurwissenschaften

Die Darstellung von Drehungen mithilfe von Quaternionen wird im Bereich der interaktiven Computergrafik genutzt, insbesondere bei Computerspielen, sowie bei der Steuerung von Satelliten. Bei Verwendung von Quaternionen an Stelle von Drehmatrizen werden etwas weniger Rechenoperationen benötigt. Insbesondere wenn viele Drehungen miteinander kombiniert (multipliziert) werden, steigt die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Des Weiteren werden Quaternionen, neben den Eulerwinkeln, zur Programmierung von Industrierobotern (z. B. ABB) genutzt.

Geschichte

Gedenktafel an der Broom Bridge in Dublin, wo William Rowan Hamilton die Multiplikationsregeln im Oktober 1843 spontan in den Stein ritzte.

William Rowan Hamilton hatte 1835 die Konstruktion der komplexen Zahlen als Zahlenpaare angegeben. Dadurch motiviert, suchte er lange nach einer entsprechenden Struktur auf dem Raum ℝ3 der Zahlentripel; heute weiß man, dass keine derartige Struktur existiert. 1843 schließlich gelangte er zu der Erkenntnis, dass es möglich ist, eine Multiplikation auf der Menge der 4-Tupel zu konstruieren, wenn man dazu bereit ist, die Kommutativität aufzugeben. In einem Brief an seinen Sohn gibt er als Datum den 16. Oktober 1843 an und berichtet, er habe sich spontan dazu hinreißen lassen, die Multiplikationsregeln in einen Stein an der Brougham Bridge (heute Broombridge Road) in Dublin zu ritzen; später wurde dort eine Gedenktafel angebracht. Die Rechenregeln für Quaternionen waren in Ansätzen schon früher bekannt, so findet sich die Formel für den Vier-Quadrate-Satz bereits bei Leonhard Euler (1748). Andere, auch allgemeinere Multiplikationsregeln wurden von Hermann Graßmann untersucht (1855).

Schon kurz nach der Entdeckung der Quaternionen fand Hamilton die Darstellung von Drehungen des Raumes mithilfe von Quaternionen und damit eine erste Bestätigung der Bedeutung der neuen Struktur; Arthur Cayley entdeckte 1855 die entsprechenden Aussagen über orthogonale Abbildungen des vierdimensionalen Raumes. Die bloße Parametrisierung der 3×3-Drehmatrizen war hingegen schon Euler bekannt. Cayley gab 1858 in der Arbeit, in der er Matrizen einführte, auch die Möglichkeit der Darstellung von Quaternionen durch komplexe 2×2-Matrizen an.

Hamilton widmete sich fortan ausschließlich dem Studium der Quaternionen; sie wurden in Dublin ein eigenes Examensfach. In seiner Nachfolge wurde 1895 sogar ein „Weltbund zur Förderung der Quaternionen“ gegründet. Der deutsche Mathematiker Felix Klein schreibt rückblickend über diese anfängliche Euphorie:

„Wie ich schon andeutete, schloß sich Hamilton eine Schule an, die ihren Meister an Starrheit und Intoleranz noch überbot. […] Die Quaternionen sind gut und brauchbar an ihrem Platze; sie reichen aber in ihrer Bedeutung an die gewöhnlichen komplexen Zahlen nicht heran. […] Die Leichtigkeit und Eleganz, mit der sich hier die weittragendsten Theoreme ergeben, ist in der Tat überraschend, und es läßt sich wohl von hier aus die alles andere ablehnende Begeisterung der Quaternionisten für ihr System begreifen, die […] nun bald über vernünftige Grenzen hinauswuchs, in einer weder der Mathematik als Ganzem noch der Quaternionentheorie selbst förderlichen Weise. […] Die Verfolgung des angegebenen Weges – der neu sein will, obwohl er tatsächlich nur eine peinlich genaue Übertragung längst bekannter Gedanken auf ein einziges neues Objekt, also durchaus keine geniale Konzeption bedeutet – führt zu allerhand Erweiterungen der bekannten Sätze, die in ihrer Allgemeinheit das Hauptcharakteristikum verlieren und gegenstandslos werden, allenfalls zu Besonderheiten, die ein gewisses Vergnügen gewähren mögen.“

– Felix Klein: Vorlesungen über die Entwicklung der Mathematik im 19. Jahrhundert[41]

Verwandte Themen

Ähnliche Konstruktionen wie die Quaternionen werden manchmal unter dem Begriff „hyperkomplexe Zahlen“ zusammengefasst. Beispielsweise sind die Cayley-Zahlen oder Oktaven ein achtdimensionales Analogon zu den Quaternionen; ihre Multiplikation ist allerdings weder kommutativ noch assoziativ.

Literatur

  • Jens Carsten Jantzen, Joachim Schwermer: Algebra. Springer, 2006, ISBN 3-540-21380-5, doi:10.1007/3-540-29287-X
  • Serge Lang: Algebra. Springer-Verlag, New York 2002, ISBN 0-387-95385-X
  • Max Koecher, Reinhold Remmert: Hamiltonsche Quaternionen. In: H.-D. Ebbinghaus et al.: Zahlen. Springer-Verlag, Berlin 1983, ISBN 3-540-12666-X
  • John H. Conway, Derek A. Smith: On Quaternions and Octonions. A K Peters, 2003, ISBN 1-56881-134-9 (englisch)
  • Jack B. Kuipers: Quaternions and Rotation Sequences. Princeton University Press, 2002, ISBN 0-691-10298-8 (englisch)
  • W. Bolton: Complex Numbers (Mathematics for Engineers). Addison-Wesley, 1996, ISBN 0-582-23741-6 (englisch)
  • Andrew J. Hanson: Visualizing Quaternions. Morgan Kaufmann Publishers, 2006, ISBN 0-12-088400-3 (englisch)
  • Lew Semjonowitsch Pontrjagin: Verallgemeinerungen der Zahlen. Verlag Harri Deutsch, 1995
  • S. Eilenberg, I. Niven: The „fundamental theorem of algebra“ for quaternions. In: Bull. Amer. Soc., 50, 1944, S. 246–248
  • Hölder: Bemerkung zur Quaternionentheorie (Wikisource)
Commons: Quaternion – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise und Anmerkungen

  1. ↑ Albrecht Beutelspacher: Lineare Algebra. 7. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-528-66508-1, S. 30.
  2. ↑ Bei Gauß findet sich eine Notiz über die Multiplikation und Konjugation von Quadrupeln im Kapitel Mutation des Raumes. In: Carl Friedrich Gauß: Werke. Achter Band. König. Gesell. Wissen., Göttingen 1900, S. 357–361, die auf das Jahr 1819 datiert wird. Die Unterschiede zu Hamilton gehen nicht über notationelle Konventionen hinaus (Zitiert nach Lam S. 25).
  3. ↑ a b Tsit Yuen Lam (Berkeley): Hamilton’s Quaternions (PostScript, englisch). Abgerufen am 30. August 2009 Referenzfehler: Unbekannter Parameter „details“ im <ref>-Element. Die unterstützten Parameter sind: dir, follow, group, name.
  4. ↑ Karsten Kunze, Helmut Schaeben: The Bingham Distribution of Quaternions und Its Spherical Radon Transform in Texture Analysis. In: Mathematical Geology. 8. Jahrgang, November 2004, S. 917–943, doi:10.1023/B:MATG.0000048799.56445.59 (englisch).
  5. ↑ Sie ist nicht mit dem Skalarprodukt zu verwechseln.
  6. ↑ Wegen der fehlenden Kommutativität in der Multiplikation können die beiden Distributivgesetze nicht automatisch auf eines reduziert werden.
  7. ↑ NB: x→ wird bei Bedarf auch als Spaltenvektor eingesetzt.
  8. ↑ Brian L. Stevens, Frank L. Lewis, Eric N. Johnson: Aircraft Control and Simulation. Dynamics, Controls Design, and Autonomous Systems. Third edition Auflage. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 2016, ISBN 978-1-118-87098-3, S. 46.
  9. ↑ Reelle Faktoren kommutieren mit i,j,k und damit mit allen Quaternionen, d. h., es gilt beispielsweise
    2ij=i2j=ij2=2k,
    aber
    2ji=j2i=ji2=−2k.
    Nicht alle aus der elementaren Algebra bekannten Rechenregeln gelten für die Quaternionen, z. B. gilt
    (i+j)(i−j)=ii−ij+ji−jj=(−1)−k+(−k)−(−1)=−2k.
    Die binomischen Formeln (a+b)(a−b)=a2−b2 oder (a+b)2=a2+2ab+b2 sind hier also nicht anwendbar. Sie setzen voraus, dass ab=ba gilt.
  10. ↑ Im Komplexen gilt dagegen
    Im⁡z=12iℂ(z−z¯)
    mit Abspaltung der imaginären Einheit iℂ von der rein-imaginären Komponente, sodass der Imaginärteil eine reelle Zahl ist. Und es gilt:
    z=Re⁡z+iℂIm⁡z.
  11. ↑ Das gilt daher auch für den Betrag und die Teilmenge der reellen Zahlen. Bei den komplexen Zahlen gilt das nicht (s. a. Komplexe Zahl).
  12. ↑ Viele Autoren setzen jedoch Norm dem Betrag gleich.
  13. ↑ Den unendlich vielen Nullstellen des Polynoms X2+1 steht das Fehlen einer Nullstelle beim Polynom iX−Xi+1 vom Grad 1 gegenüber. Letzteres besitzt 2 Monome vom Grad 1, dem höchsten Grad seiner Monome. In nicht-kommutativen Ringen wird der Grad des Monoms a0Xa1…an−1Xan mit ai≠0 zu n definiert, und ein Monom dominiert ein Polynom, wenn es unter allen Monomen den höchsten Grad hat. Dann ist der Grad des Polynoms auch gleich dem Grad der dominierenden Monome. Hat ein Polynom über ℍ ein einziges dominierendes Monom von einem Grad > 0, dann hat es immer eine Nullstelle in ℍ. (Eilenberg-Niven).
  14. ↑ a b c John H. Conway, Derek A. Smith: On Quaternions and Octonions. A K Peters, 2003, ISBN 1-56881-134-9 (englisch). Referenzfehler: Unbekannter Parameter „details“ im <ref>-Element. Die unterstützten Parameter sind: dir, follow, group, name.
  15. ↑ Ein Automorphismus definiert eine solche Einbettung (durch Einschränkung), die nur eine Einbettung von ℝ-Algebren ist. ℍ ist keine Algebra über ℂ.
  16. ↑ Tsit Yuen Lam (Berkeley): Hamilton’s Quaternions (PostScript, englisch). Abgerufen am 30. August 2009, Seite 22. Der Polarwinkel ist das Analogon zum komplexen Argument arg⁡(z), allerdings ist bei dessen Hauptwert das Signum des Imaginärteils mit hinein genommen, was sich bei den Quaternionen nicht machen lässt, sodass arg nicht eine einfache Einschränkung des Polarwinkels ist.
  17. ↑ a b Für x′:=iπ und y′:=jπ ist
    exp⁡x′exp⁡y′=exp⁡(iπ)exp⁡(jπ)=(−1)(−1)=1
    ≠exp⁡(x′+y′)=exp⁡((i+j)π)=cos⁡(π2)+i+j2sin⁡(π2).
  18. ↑ Laut Tsit Yuen Lam (Berkeley): Hamilton’s Quaternions (PostScript, englisch). Abgerufen am 30. August 2009, Seite 22 mag das Scheitern dieser Funktionalgleichung das größte Hindernis für eine quaternionische Funktionentheorie gewesen sein.
  19. ↑ Lce.hut.fi (Memento vom 26. September 2013 im Internet Archive) (PDF; 68 kB)
  20. ↑ Die Überlegungen gelten schon, wenn der Definitionsbereich von g ein Gebiet ist.
  21. ↑ Letzteres ist aber nicht hinreichend, denn die Funktion g(z):=Im⁡z ist trotz g∣ℝ=0∈ℝ wegen u(ξ,η)≡η≢−η≡u(ξ,−η) nicht einbettbar.
    Sind jedoch bei solchen Funktionen die Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungen erfüllt, so folgt aus der Ungeradheit von v(ξ,η) die Geradheit von u(ξ,η) (jeweils in der zweiten Variablen) und damit die Einbettbarkeit in die Quaternionen.
    Im Gegensatz zu g(z)=Im⁡z ist die Funktion h(z):=iℂIm⁡z einbettbar mit der Fortsetzung h~:ℍ→ℍ;q↦Im⁡q.
  22. ↑ Ein weiteres nicht einbettbares Beispiel ist g(z):=iℂ, bei dem v(ξ,η)=1 nicht ungerade ist in η. Die Einbettung mithilfe des Einbettungsisomorphismus ιiℍ ergibt zwar die (konstante) Funktion giℍ=iℍ, die aber mit anderen Einbettungen, z. B. ιjℍ mit dem (ebenfalls konstanten) Ergebnis gjℍ=jℍ≠iℍ, nicht zusammenpasst.
  23. ↑ Quaternion Analysis, Functions of a Quaternion Variable (englisch).
  24. ↑ R. Fueter: Über die analytische Darstellung der regulären Funktionen einer Quaternionenvariablen. In: Comm. Math. Helv. 8. Jahrgang, 1936, S. 371–378.
  25. ↑ C.A. Deavours: The Quaternion Calculus. In: Amer. Math. Monthly. 80. Jahrgang, 1973, S. 995–1008 (englisch).
  26. ↑ A. Sudbery: Quaternionic Analysis. In: Math. Proc. Camb. Phil. Soc. 85. Jahrgang, 1979, S. 199–225, doi:10.1017/S0305004100055638 (englisch).
  27. ↑ Zu SO(3) siehe Orthogonale Gruppe.
  28. ↑ Wie im referenzierten Abschnitt und im Abschnitt #Automorphismen bemerkt, gibt es zu jedem fixen Dreibein i,j,k sehr viele verschiedene Einbettungen dieser endlichen Untergruppen in ℍ.
  29. ↑ Diese Gruppen firmieren – besonders in der englischen Literatur – auch als binäre Erweiterung 2P der Polyedergruppe P, und die binären Diedergruppen 2Dn zusätzlich als verallgemeinerte Quaternionengruppen, auch als dizyklische Gruppen, in Zeichen Dicn.
  30. ↑ a b c Gabor Gévay: On Perfect 4-Polytopes (PDF; 211 kB) Contributions to Algebra and Geometry Volume 43 (2002), No. 1, 243–259: gibt auf S. 256 die 4-Polytope »{2p}◻{2p}« für die 2Dp bzw. auf S. 252 Table 2 das 4-Polytop »f1,2F4« für 2O.
  31. ↑ Tsit Yuen Lam (Berkeley): Hamilton’s Quaternions (PostScript, englisch). Abgerufen am 30. August 2009, Seite 24.
  32. ↑ Eric W. Weisstein: Antihomomorphism. In: MathWorld (englisch).
  33. ↑ H ist ein ℝ-Vektorraum, der aber weder ℂ2×2-Ideal noch ℂ-Vektorraum ist, da   iℂ1H∉H.
  34. ↑ Die Matrizen iH,jH,kH sind spurfrei und schiefhermitesch.
  35. ↑ Nur Matrixringe der Dimensionen 1, 2 und 4 über ℝ sind nullteilerfrei (siehe auch #Die Quaternionen als Algebra).
  36. ↑ Diese Möglichkeiten entsprechen der Vorschaltung eines Automorphismus.
  37. ↑ Satz von Frobenius (reelle Divisionsalgebren), Korollar 6.8 in Kapitel IX von Hungerford: Algebra (Springer 1974).
  38. ↑ Satz von Hurwitz (normierte Divisionsalgebren).
  39. ↑ Satz von Pontrjagin (1931) in Pontrjagin: Jeder lokalkompakte, zusammenhängende topologische Schiefkörper ist entweder der Körper der reellen Zahlen oder der Körper der komplexen Zahlen oder der Schiefkörper der Quaternionen.
  40. ↑ Adolf Hurwitz: Ueber die Composition der quadratischen Formen von beliebig vielen Variabeln. In: Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen – Mathematisch-Physikalische Klasse (1898), Heft 3. 9. Juli 1898, S. 309–316, abgerufen am 23. Januar 2023.
  41. ↑ Felix Klein: Vorlesungen über die Entwicklung der Mathematik im 19. Jahrhundert. Teil I. Verlag von Julius Springer, Berlin 1926, S. 184 ff.