donde e es el elemento identidad y e conmuta con los demás elementos del grupo. Estas relaciones, descubiertas por WR Hamilton , también generan los cuaterniones como un álgebra sobre los números reales.
El grupo cuaterniones Q 8 tiene el mismo orden que el grupo diedro D 4 , pero una estructura diferente, como lo muestran sus gráficos de Cayley y de ciclo:
En los diagramas para D 4 , los elementos del grupo están marcados con su acción en una letra F en la representación definitoria R 2 . No se puede hacer lo mismo para Q 8 , ya que no tiene una representación fiel en R 2 o R 3 . D 4 se puede realizar como un subconjunto de los cuaterniones divididos de la misma manera que Q 8 se puede ver como un subconjunto de los cuaterniones.
Mesa Cayley
La tabla de Cayley (tabla de multiplicación) para Q 8 está dada por: [2]
Propiedades
Los elementos i , j y k tienen orden cuatro en Q 8 y dos de ellos generan todo el grupo. Otra presentación de Q 8 [3] basada en solo dos elementos para evitar esta redundancia es:
Por ejemplo, al escribir los elementos del grupo en formas normales lexicográficamente mínimas, se pueden identificar:
El grupo de cuaterniones tiene la propiedad inusual de ser hamiltoniano : Q 8 no es abeliano, pero cada subgrupo es normal . [4] Cada grupo hamiltoniano contiene una copia de Q 8. [5 ]
El grupo cuaterniones Q 8 y el grupo diedro D 4 son los dos ejemplos más pequeños de un grupo no abeliano nilpotente .
El grupo de cuaterniones Q 8 tiene cinco clases de conjugación, y por tanto cinco representaciones irreducibles sobre los números complejos, con dimensiones 1, 1, 1, 1, 2:
Representación trivial .
Representaciones de signos con núcleo i, j y k : Q 8 tiene tres subgrupos normales máximos: los subgrupos cíclicos generados por i, j y k respectivamente. Para cada subgrupo normal máximo N , obtenemos una representación unidimensional factorizando a través del grupo cociente de 2 elementos G / N. La representación envía los elementos de N a 1 y los elementos fuera de N a −1.
Representación bidimensional : se describe a continuación en Representaciones matriciales . No es realizable sobre los números reales , sino que es una representación compleja: de hecho, son solo los cuaterniones considerados como un álgebra sobre , y la acción es la de multiplicación izquierda por .
Sin embargo, todos los caracteres irreducibles en las filas de arriba tienen valores reales, esto da la descomposición del álgebra de grupo real de en ideales bilaterales mínimos :
donde los idempotentes corresponden a los irreducibles:
de modo que
Cada uno de estos ideales irreducibles es isomorfo a un álgebra simple central real , los primeros cuatro al cuerpo real . El último ideal es isomorfo al cuerpo sesgado de cuaterniones por la correspondencia:
Además, el homomorfismo de proyección dado por tiene un ideal de núcleo generado por el idempotente:
por lo que los cuaterniones también se pueden obtener como el anillo cociente . Nótese que esto es irreducible como una representación real de , pero se divide en dos copias del irreducible bidimensional cuando se extiende a los números complejos. De hecho, el álgebra de grupos complejos es donde es el álgebra de bicuaterniones .
Representaciones matriciales
La representación compleja irreducible bidimensional descrita anteriormente da como resultado el grupo de cuaterniones Q 8 como un subgrupo del grupo lineal general . El grupo de cuaterniones es un subgrupo multiplicativo del álgebra de cuaterniones:
que tiene una representación regular por multiplicación izquierda sobre sí mismo considerado como un espacio vectorial complejo con base tal que corresponde a la función -lineal La representación resultante
viene dada por:
Dado que todas las matrices anteriores tienen determinante unitario, esta es una representación de Q 8 en el grupo lineal especial . [6]
Una variante es la representación mediante matrices unitarias (tabla de la derecha). Sea que corresponde a la función lineal que viene dada por:
Vale la pena señalar que los físicos utilizan exclusivamente una convención diferente para la representación matricial para hacer contacto con las matrices de Pauli habituales :
También existe una acción importante de Q 8 en el espacio vectorial bidimensional sobre el cuerpo finito (tabla a la derecha). Una representación modular está dada por
donde y el grupo multiplicativo tiene cuatro generadores, de orden 8. Para cada uno el espacio vectorial bidimensional admite una aplicación lineal:
Además tenemos el automorfismo de Frobenius que satisface y Entonces las matrices de representación anteriores son:
Esta representación realiza Q 8 como un subgrupo normal de GL(2, 3) . Por lo tanto, para cada matriz , tenemos un automorfismo de grupo
De hecho, estos dan el grupo de automorfismo completo como:
Esto es isomorfo al grupo simétrico S 4 ya que las aplicaciones lineales permutan los cuatro subespacios unidimensionales de , es decir, los cuatro puntos del espacio proyectivo.
Además, esta representación permuta los ocho vectores distintos de cero de dando una incrustación de Q 8 en el grupo simétrico S 8 , además de las incrustaciones dadas por las representaciones regulares.
Grupo de Galois
Richard Dedekind consideró el campo al intentar relacionar el grupo de cuaterniones con la teoría de Galois . [7] En 1936 Ernst Witt publicó su enfoque del grupo de cuaterniones a través de la teoría de Galois. [8]
El desarrollo utiliza el teorema fundamental de la teoría de Galois para especificar cuatro campos intermedios entre Q y T y sus grupos de Galois, así como dos teoremas sobre la extensión cíclica de grado cuatro sobre un campo. [1]
Grupo de cuaterniones generalizado
Un grupo de cuaterniones generalizado Q 4 n de orden 4 n se define mediante la presentación [3]
para un entero n ≥ 2 , con el grupo de cuaterniones usual dado por n = 2. [9] Coxeter llama a Q 4 n el grupo dicíclico , un caso especial del grupo poliédrico binario y relacionado con el grupo poliédrico y el grupo diedro . El grupo de cuaterniones generalizado se puede realizar como el subgrupo de generado por
donde . [3] También se puede realizar como el subgrupo de cuaterniones unitarios generados por [10] y .
Los grupos de cuaterniones generalizados tienen la propiedad de que cada subgrupo abeliano es cíclico. [11] Se puede demostrar que un p -grupo finito con esta propiedad (cada subgrupo abeliano es cíclico) es cíclico o un grupo de cuaterniones generalizado como se definió anteriormente. [12] Otra caracterización es que un p -grupo finito en el que hay un único subgrupo de orden p es cíclico o un 2-grupo isomorfo al grupo de cuaterniones generalizado. [13] En particular, para un cuerpo finito F con característica impar, el subgrupo 2-Sylow de SL 2 ( F ) no es abeliano y tiene solo un subgrupo de orden 2, por lo que este subgrupo 2-Sylow debe ser un grupo de cuaterniones generalizado (Gorenstein 1980, p. 42). Sea p r el tamaño de F , donde p es primo, el tamaño del subgrupo 2-Sylow de SL 2 ( F ) es 2 n , donde n = ord 2 ( p 2 − 1) + ord 2 ( r ) .
El teorema de Brauer-Suzuki muestra que los grupos cuyos subgrupos de Sylow 2 son cuaterniones generalizados no pueden ser simples.
Otra terminología reserva el nombre de "grupo cuaternionario generalizado" para un grupo dicíclico de orden una potencia de 2, [14] que admite la presentación
^ ab Dean, Richard (1981). "Un polinomio racional cuyo grupo son los cuaterniones". The American Mathematical Monthly . 88 (1): 42–45. doi :10.2307/2320711. JSTOR 2320711.
^ Algunos autores (por ejemplo, Rotman 1995, págs. 87, 351) se refieren a este grupo como el grupo dicíclico, reservando el nombre de grupo cuaterniones generalizado para el caso en que n es una potencia de 2.
^ Brown 1982, pág. 98
^ Brown 1982, pág. 101, ejercicio 1
^ Cartan y Eilenberg 1999, Teorema 11.6, p. 262
^ Brown 1982, Teorema 4.3, pág. 99
^ Roman, Steven (2011). Fundamentos de la teoría de grupos: un enfoque avanzado . Springer. pp. 347–348. ISBN.9780817683016.