2,4K подписчиков

Реальна ли мнимая единица?

1,7K прочитали

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.

Картина "Умножение на мнимую единицу", Johnson, Crockett,1964 г. National Museum of American History
Картина "Умножение на мнимую единицу", Johnson, Crockett,1964 г. National Museum of American History

Этот вопрос явно относится к серии "классика жанра", обязательной в любом математическом блоге или журнале. Я не буду рассказывать об истории, возникновения идеи комплексных чисел или повторять неоднократно приводимые аргументы об их полезности в алгебре, физике и прочих разделах математики, и сосредоточусь не на формальном смысле мнимой единицы, а именно на её связи с привычной окружающей нас реальностью.

При этом опираться я буду не на философию, а на элементы теории представлений, с которыми мы постепенно знакомимся в этой серии статей. Теория представлений не относится к числу элементарных, но сегодня мы с её помощью от формальной стороны комплексных чисел сможем перейти к их зримым и ощутимым свойствам.

В прошлый раз мы перечислили основные типы линейных преобразований плоскости, и среди них выделили преобразования эллиптического типа, являющиеся композицией растяжения и поворота.

Различные типы линейных преобразований, классифицированные по свойством их собственных чисел. (см. предыдущую статью серии).
Различные типы линейных преобразований, классифицированные по свойством их собственных чисел. (см. предыдущую статью серии).

Матрицы, которые представляют такие преобразования, имеют исключительно вещественные элементы, их характеристическое уравнение тоже имеет вещественные коэффициенты, однако его дискриминант отрицателен и следовательно, вещественных корней оно иметь не может. Таким образом, мы приходим к выводу, что спектр этих матриц представляет собой пару сопряжённых комплексных чисел. А поскольку, как мы знаем, матрица является линейным представлением корней своего характеристического уравнения, то и сами "эллиптические" матрицы могут быть линейным представлением комплексных чисел.

Среди матриц такого типа можно выделить те, что представляют решения уравнения: x² + 1 = 0. Они имеют нулевой след (сумму диагональных элементов) и равный единице определитель (не меняют площади фигур). Можно построить целое многообразие таких матриц, параметризовав его вещественным числом t:

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-3

Все они при возведении в квадрат дают матричный аналог вещественного числа −1. Давайте посмотрим на то, как выглядят соответствующие преобразования и их орбиты:

Преобразования плоскости и орбиты этих преобразований для различных значений параметра t. Черные отрезки показывают как преобразовываются два взаимно перпендикулярных единичных вектора: (0, 1) и (1, 0).
Преобразования плоскости и орбиты этих преобразований для различных значений параметра t. Черные отрезки показывают как преобразовываются два взаимно перпендикулярных единичных вектора: (0, 1) и (1, 0).

Как видите, все орбиты (множества, которые получаются при многократном применении преобразования) для этих матриц оказываются эллиптическими. И только при t = 0, они превращаются в окружности. При таком преобразовании происходит поворот всей плоскости на 90° и при этом сохраняются как расстояния так и углы между всеми векторами.

Линейное преобразование, обладающее такими свойствами, называется ортогональным. Расстояния и углы связаны со скалярным произведением, так что более общее утверждение таково: ортогональное преобразование сохраняет все скалярные произведения.

И если говорить о матрицах, для них ортогональность определяется достаточно просто: её строки образуют ортогональные векторы, для которых скалярное произведение равно нулю. В нашем случае это условие приводит к такому уравнению:

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-5

Из него следует, что только при t = 0 мы получим вещественнозначную ортогональную матрицу:

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-6

которая представляет мнимую единицу в наиболее "чистом" виде, в виде ортогонального преобразования, сохраняющего скалярные произведения, то есть, линейные комбинации. В контексте арифметики это свойство означает, что при умножении на мнимую единицу в таком представлении модуль комплексного числа изменяться не будет.

Ортогональные матрицы обладают ещё одним важным свойством: если поменять местами строки и столбцы (отразить её относительно главной диагонали или транспонировать), то получится матрица обратная исходной. Если мы транспонируем матрицу, представляющую мнимую единицу, то получим представление числа −i:

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-7

которое при умножении на число i даёт 1. Другие матричные решения уравнения x² + 1 = 0 таким свойством не обладают.

Ну и что?

Возможно, это было чересчур подробное введение, но мне хотелось строго показать, что среди всех вариантов представлений мнимой единицы, именно пара, соответствующая поворотам на 90°, является наиболее точным представлением этого объекта. Традиционно принято считать, что умножение на i поворачивает аргумент комплексного числа против часовой стрелки.

Так что же является "главным":

  • формальное решение уравнения x² + 1 = 0, в реальности которого мы сомневаемся,
  • или линейное представление этого решения в форме поворота на 90°, которое вполне реально, ощутимо и доступно для наблюдения?

Для математика так вопрос не стоит. Оба эти математических объекта изоморфны друг другу, а следовательно, идентичны. Оба они образуют одинаковую алгебраическую структуру: циклическую группу четвёртого порядка. Кроме того, с их помощью можно расширить поле вещественных чисел и получить аглебраически замкнутое поле, состоящее либо из пар, либо из матриц:

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-8

Комплексные числа это, конечно, формализм, непригодный для подсчёта предметов, измерения веса или длины. Изображая график параболы, не пересекающей оси Ox, мы справедливо говорим об отсутствии корней у соответствующего уравнения, имея в виду вещественные корни. И только формальное введение мнимых чисел позволяет нам рассуждать о корнях "нерешаемых" уравнений (см. Истинный облик квадратных уравнений). Но при этом они так и остаются формальностью.

В то же самое время, изоморфизм между комплексными числами и поворотами плоскости даёт нам возможность использовать их для описания периодических процессов, которые можно интерпретировать как вращение. Именно поэтому комплексные числа — незаменимый инструмент для моделирования переменного тока, импеданса (волнового сопротивления) реактивных сопротивлений и в матаппарате квантовой механики, где вероятность наблюдения элементарных частиц описывается волновой функцией.

В общем, если вас смущает "нереальность" алгебры комплексных чисел, не смущайтесь, а вспомните, что ровно таким же образом ведут себя композиции масштабирования и поворотов. И то и другое — математическая абстракция, но в силу привычки одна из них нам кажется "абстрактнее" другой.

Числа Эйзенштейна

После этого философского отвлечения продолжим знакомство с арифметиками эллиптического типа.

Если расширить мнимой единицей кольцо целых чисел, то получатся гауссовы числа. Опираясь на геометрический смысл мнимой единицы, мы можем интерпретировать число a + bi, как точку в пространстве с прямоугольными декартовыми координатами (a, b). Такие точки образуют регулярную квадратную решётку. Таким решёткам посвящена целая серия статей на этом канале: Математика в клеточку.

Основным алгебраическим свойством такой решётки является её замкнутость: сумма и произведение любых гауссовых чисел вновь является гауссовым числом. Геометрически это выражается в том, что действием умножения на любое ненулевое гауссово число будет такая композиция масштабирования и поворота, что все точки решётки после умножения вновь попадут на целочисленные координаты.

Умножение на комплексное число, как композиция масштабирования и поворота, после которой узлы новой решётки вновь попадают на целочисленные узлы.
Умножение на комплексное число, как композиция масштабирования и поворота, после которой узлы новой решётки вновь попадают на целочисленные узлы.

Как известно, плоскость можно замостить только тремя правильными многоугольниками: квадратами, треугольниками и шестиугольниками. Первый способ даёт геометрическую интерпретацию для гауссовых чисел, а вторые два соответствуют иной числовой системе: числам Эйзенштейна. Они являются расширением кольца целых чисел с помощью элемента, решающего уравнение

Добавьте описание
Добавьте описание

Для матрицы 2×2 характеристическое уравнение не может иметь порядок выше второго. Однако в этом особенном случае можно переписать уравнение так:

Добавьте описание
Добавьте описание

Первый множитель даёт очевидный вещественный корень, а второй порождает два новых корня, не существующих в целых числах. Эти корни можно выразить, как пару комплексных чисел

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-12
Треугольная решётка образуемая числами Эйзенштейна.
Треугольная решётка образуемая числами Эйзенштейна.

Поищем матричное представление для этой числовой системы. Если рассматривать уравнение x² + x + 1 = 0, как характеристическое для некоторой матрицы, то её след будет равен –1, а определитель равен 1. Такие целочисленные матрицы найти нетрудно, например, они могут быть такими:

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-14

С их помощью любое число Эйзенштейна можно однозначно представить в виде линейной комбинации

Добавьте описание
Добавьте описание

а любые вычисления в получившемся кольце можно производить используя эти целочисленные матрицы.

К сожалению, эти двумерные матрицы не ортогональны, для этого потребуется отказаться от их целочисленности. Однако, матричные представления для пар чисел, могут быть не только двумерными, но и трёхмерными. Если мы перейдём к матрицам 3×3, то сможем построить две красивые ортогональные целочисленные матрицы:

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-16

Вы можете легко убедиться в том, что при возведении в третью степень обе они превращаются в единичную матрицу, то есть, в вещественную единицу.

В трёхмерном пространстве они определяют правильную треугольную решётку, "натянутую" на углы единичного куба и дают ортогональное линейное представление чисел Эйзенштейна:

Мой ответ: "Да, вполне. В той же мере, насколько реален поворот на 90° или листочек в клеточку." Давайте разбираться, а заодно познакомимся с числами Эйзенштейна.-17

Подобно гауссовым, эти числа образуют замкнутую алгебраическую систему, а значит узлы треугольной решётки после умножения будут вновь попадать на треугольную решётку.

Умножение на число Эйзенштейна, как композиция масштабирования и поворота.
Умножение на число Эйзенштейна, как композиция масштабирования и поворота.

Числа Эйзенштейна используются в теории чисел и, в частности, для доказательства частного случая Великой теоремы Ферма для третьей степени. А треугольные координаты мы обсуждали, исследуя пространство треугольников.

────────────────────────

Хотите, чтобы в вашей ленте Дзена было больше интересных и глубоких материалов? Подскажите алгоритму Дзена, что там нравятся публикации, подобные этой, подпишитесь, поставьте лайк или прокомментируйте.

Давайте формировать информационную среду вместе!