Verdopplungsverfahren

Das Verdopplungsverfahren, auch bekannt als Cayley-Dickson-Verfahren, ist ein Verfahren zur Erzeugung hyperkomplexer Zahlen. Das neue Zahlensystem hat dabei doppelt so viele Dimensionen wie das Ausgangssystem.

Die Bedeutung des Verdopplungsverfahrens liegt darin, dass es aus den reellen Zahlen nacheinander die komplexen Zahlen, die Quaternionen, die Oktonionen und die Sedenionen hervorbringt.

Definition

Sei Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a} eine hyperkomplexe Zahl und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a^*} die konjugierte hyperkomplexe Zahl (diese erhält man, indem man in der Schreibweise der Zahl als Linearkombination ihrer Einheiten die Vorzeichen der Koeffizienten der imaginären Einheiten umkehrt). Wir betrachten nun Paare über den hyperkomplexen Zahlen mit folgender Addition und Multiplikation:

$(a,b)+(c,d)=(a+c,b+d)$

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle (a,b)(c,d) = (ac - d^*b,da + bc^*)}

Bei der Multiplikation ist die Reihenfolge der Faktoren wichtig, da das Kommutativgesetz nicht zu gelten braucht.

Die Paare mit der so definierten Addition und Multiplikation bilden wieder ein System hyperkomplexer Zahlen.

Alternative Beschreibung

Eine andere Beschreibung des Verdopplungsverfahrens sieht so aus: Füge zu den hyperkomplexen Zahlen eine neue Einheit Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle E} hinzu und betrachte nun Summen Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a + bE } mit folgender Addition und Multiplikation

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle (a + bE) + (c + dE) = (a + c) + (b + d)E}

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle (a + bE)\;\cdot\,(c + dE) = (ac - d^*b) + (da + bc^*)E}

In dieser Beschreibung sieht man leicht, dass

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle E^2 = -1}

und dass $E$ mit den imaginären Einheiten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \mathbf i_k} des Ausgangssystems anti-kommutiert:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle E\mathbf i_k = -\mathbf i_k E} .

Die ersten Schritte

Von den reellen zu den komplexen Zahlen

Wenn Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a} eine reelle Zahl ist, ist Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a^* = a} . Außerdem ist die Multiplikation der reellen Zahlen kommutativ. Damit vereinfachen sich die Gleichungen zu:

Fehler beim Parsen (Konvertierungsfehler. Der Server („https://wikimedia.org/api/rest_“) hat berichtet: „Cannot get mml. Server problem.“): {\displaystyle (a+bE)+(c+dE)=(a+c)+(b+d)E}

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle (a + bE)\;\cdot\,(c + dE) = (ac - bd) + (ad + bc)E}

Setzt man Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle E=i} , erkennt man die komplexen Zahlen wieder.

Von den komplexen Zahlen zu den Quaternionen

Die komplexen Zahlen verlieren im Vergleich zu den reellen Zahlen die Eigenschaft, zu ihrer konjugierten Zahl gleich zu sein. Die Multiplikation ist weiterhin kommutativ. Damit erhalten wir:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle (a + bE) + (c + dE) = (a + c) + (b + d)E}

Fehler beim Parsen (Konvertierungsfehler. Der Server („https://wikimedia.org/api/rest_“) hat berichtet: „Cannot get mml. Server problem.“): {\displaystyle (a+bE)\;\cdot \,(c+dE)=(ac-d^{*}b)+(da+bc^{*})E}

Setzt man Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle E=j} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \ iE=k} , erkennt man die Quaternionen wieder. Die Multiplikation der Quaternionen ist nicht mehr kommutativ, aber das Assoziativgesetz gilt weiterhin.

Von den Quaternionen zu den Oktonionen

Von nun an braucht man die Formel in ihrer vollen Schönheit. Beim Schritt zu den Oktonionen geht auch noch das Assoziativgesetz der Multiplikation verloren. Immerhin bilden die Oktonionen einen Alternativkörper.

Und weiter

Verdoppelt man die Oktonionen, dann erhält man die Sedenionen. Die Sedenionen verlieren die Eigenschaft, eine Divisionsalgebra zu sein und auch die Alternativität der Multiplikation geht verloren. Die Sedenionen sind nur noch potenz-assoziativ. Diese Eigenschaft geht auch bei weiterer Anwendung des Verdopplungsverfahrens nicht verloren.

Literatur

• I. L. Kantor, A. S. Solodownikow: Hyperkomplexe Zahlen. BSG B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1978.