奇米影视盒首页 小乐数学科普：汉密尔顿（爱尔兰诗东说念主数学家）的四元数，或三元数的防碍

图片

作家：James Propp 2023-5-18

译者：zzllrr小乐（数学科普微信公众号）2023-5-22

图片

1853年，数学家兼物理学家威廉·罗文·汉密尔顿（William Rowan Hamilton）终末一次拜访了凯瑟琳·巴洛（Catherine Barlow），他也曾激烈地爱着她，仍对她充满热诚。三十年前，当他如故王人柏林三一学院的一年级学生，而她如故凯瑟琳·迪斯尼（Catherine Disney）密斯时，她俘赢得了他的心——而她的父母自后决定把她嫁给威廉·巴洛牧师，一个比她大十五岁的有钱东说念主，觉得会很符合她。事实诠释他们错了。【注#1】

三十年后，要是巴洛牧师对汉密尔顿出面前他家中感到发火，可能会原谅他的私行闯入，因为他的妻子快死了，并请求汉密尔顿终末一次探望。汉密尔顿是一位已有文章出书的诗东说念主和科学家，在他早期的一些诗歌中深情地写过她，但他面前献给她的不是诗歌，而是他写的一篇数学论文，他我方发明的主题是四元数分析，并赢得了好多的赞誉，以至于成为王人柏林的必修历练主题之一。事实上，一年前，凯瑟琳的犬子需要一些四元数的带领，汉密尔顿引导了这个男孩，也许恰有契机演出他旧情东说念主犬子的父亲变装。

凯瑟琳谈到她与巴洛的婚配如何被她的父母强加给她时，汉密尔顿为她感到盛怒。她告诉他她不圆满的婚配，以及她多年来对汉密尔顿坚强不移的爱，他被恻隐所驯服。然后，在来访快结果时，他尝试了三十年前应该尝试的事情。“站起来啊，我会接管并带走她正当给我的一切作为我的赏赐 —— 一个吻，不，好多吻：因为已知接近死一火使这种圣餐变得圣洁。事实上，咱们俩不可能不粗糙，这是咱们有生以来第一次，咱们的嘴唇相遇......关联词，我敢断言，在那为数未几的被允许的时刻，咱们的深情传递是白嫩的，不像那些在回诞辰中既不成亲也不被赐予婚配的东说念主雷同，而像天国中天主的天神那样。

凯瑟琳在威廉这次访谒后急切了两周，然后在53岁时厌世。与此同期，威廉回到了他的家和他的妻子身边，且归完成他所觉得的职守和管事：向天下解释四元数的任务。他知说念我方如故莫得作念对。他会在他的余生中陆续尝试。

狂爱好好者

年青的威廉·罗文·汉密尔顿有好多意思意思和掌抓他感意思意思的任何事物的诀要。这个男孩在五岁时学会了拉丁语、希腊语和希伯来语。他对数字莫得意思意思，直到八岁时在旅游中遭遇了精于诡计的神童泽拉·科尔本（Zerah Colburn）。威廉很快自学了默算的艺术，并与这位年青的好意思国东说念主竞争，天然他弗成击败科尔本，但从各方面来看，他的阐述王人值得赞誉。

汉密尔顿也可爱古典学（研究古希腊古罗马好意思丽的西方学科，需要闇练古希腊语和拉丁语，zzllrr小乐译注），并在三一的第一年赢得了 optime（最高荣誉）——这是几十年来其他一年级学生从未完成的豪举。几年后，他杰出了他早先的设置，赢得了古典学和科学的双重收获，这是三一学院学生当年从未作念过的事情。17岁时，他在拉普拉斯著明的《Mécanique céleste（天膂力学）》中发现了一个诞妄。他在三一学院的一位结实约翰·布林克利（John Brinkley）感动地说：“这个年青东说念主，我不说他改日是，而是面前就仍是是他这个年事段的第一位数学家”。不久之后，布林克利成为主教并毁灭了他的教养职位，汉密尔顿（那时如故别称本科生！）被选为布林克利的继任者。该职位附带的福利之一是爱尔兰皇家天文体家的头衔以及住在王人柏林郊区的邓辛克天文台。这项任命对爱尔兰来说并不好（新的皇家天文体家在天文体方面莫得特殊的才智），但对汉密尔顿来说却很好，因为通过他在天文台的租约，他最终遭遇了住在隔邻的海伦·贝利（Helen Bayly），并娶了她。【注#2】

在启动他的天文体职责之前，威廉游览了不列颠群岛，并遭遇了诗东说念主威廉·华兹华斯（William Wordworth）；尽管年事收支三十岁，但两东说念主很快就成为了一又友。汉密尔顿的列传作家罗伯特·格雷夫斯（Robert Graves）报说念说，意外美妙到华兹华斯将汉密尔顿和诗东说念主柯尔律治（Coleridge）边幅为“他见过的两个最了不得的东说念主，以他们总共的天禀来看”。

这两个威廉的共同点比东说念主们瞎想的要多。华兹华斯不是期骗科学的一又友（“科学只期骗于生活的物资用途，与瞎想开战并但愿消释瞎想力”），但他对包括数学在内的更纯正的科学神志有所观赏。在《序曲 Prelude》第六卷中，华兹华斯写说念：

关联词，咱们可能不会完全忽视从几何科学基础中赢得的乐趣......

他接着深情地边幅了他第一次构兵欧几里得几何学，转头说念：

那些抽象的魔力

何其盛大...

一个放心的天下，

由纯正的聪惠创造。

转而看汉密尔顿，他具有华兹华斯认同和赞誉的诗意明锐性。【注#3】

汉密尔顿养成了寄给华兹华斯诗歌的风俗，寻求后者的坦率评价。华兹华斯看得出来，汉密尔顿既不是半吊子，也不是另一个华兹华斯。他还知说念，从汉密尔顿学术生计的到手来看，这个年青东说念主对数学规模有着专有的观点。1831年，华兹华斯写信给汉密尔顿说：

“你给我寄来诗句，我和咱们公共雷同，极度烦嚣地收到这些诗句；关联词，咱们顾虑这种管事会诱骗你偏离科学的说念路，你似乎注定要以如斯多的荣誉前行，并给东说念主们造福。我必须一次又一次地强调，诗歌的创作需要比东说念主们甘愿投降的要多得多的艺术性，而其中的全王人到手取决于广泛的细节，而这些细节使我感到悲哀，你应该臣服于赢得常识。”【注#4】

“之前想法越来越澄莹”

要是你研究过笛卡尔坐标，你可能还难忘它们是以首创东说念主勒内·笛卡尔（René Descartes）的名字定名的，它们有两条直线，x轴和y轴，并在一个称为原点（origin）的点处相交。原点由数字对(0，0)表现，你可能仍是猜到这个标记可以追念到笛卡尔，但事实并非如斯。教咱们用括号内以逗号分隔的两个数字来表现平面上的一个点的数学家不是笛卡尔，而是汉密尔顿。

汉密尔顿之是以进行这项立异，是但愿揭开复数的微妙面纱。汉密尔顿写说念：“莫得一个坦率和明智的东说念主会怀疑平行线（Parallel Lines）主要性质的确切性，正如两千年前欧几里得（Euclid）在他的《几何底本 Elements》中冷漠的那样。但是，怀疑以致不投降负数（Negatives）和虚数（Imaginaries）的学说并不需要特殊的怀疑方针。”我不会在这里考虑汉密尔顿相识负数的花式，但他找到了一种令东说念主信服的花式，将复数置于更坚实的东西中，即实数对，或者他称之为数对（couple）。【注#5】

汉密尔顿将数对相加的章程很简便：数对(a， b)和数对(c， d)的和便是数对（a+c，b+d）。数对相乘的章程更为复杂：数对(a， b)和数对(c， d)的乘积是数对(ac − bd， ad + bc)。有东说念主可能会反对说第二条章程看起来很奇怪，但莫得东说念主会反对说其中任何一条章程推理违和。独特是，断言 (0， 1) 乘以 (0， 1) 得到(−1， 0) 只不外是数对乘法章程的胜仗期骗。【注#6】

这种计谋如斯灵验的原因是，要是你只看形为(r， 0)的数对——其中第一个数是任何你可爱的数，第二个数是0 —— 你会发现组合数对的章程袒护了组合数字的普通章程。具体来说，(r， 0) 加上 (s， 0) 等于 (r+s， 0)，而 (r， 0) 乘以 (s， 0) 等于 (rs， 0)。因此，当使用汉密尔顿的加法和乘法章程组合时，这么的数对行径形势与“单个”数（普通实数）在使用普通单个数加乘章程组合时的行径形势疏浚。总的来讲，要是咱们把“实数”当作“鸭子”，第二个数为零的数对，就像“鸭子”雷同步碾儿，像“鸭子”雷同游水，像“鸭子”雷同嘎嘎叫。但是，一朝你承认(−1， 0)像数字-1雷同嘎嘎叫，就很难幸免进一步断言(0， 1)像-1的平方根雷同嘎嘎叫，即使你支援觉得，在数字规模，不存在这么的平方根。

19世纪的形而上学和19世纪的数学恰是在这里分说念扬镳。对于形而上学家来说，将像(-1， 0)这么的数字与像-1这么的数字相提并论将是一个严重的诞妄，执行上是一个范围诞妄（形而上学家可能犯的最莫名的诞妄之一）。但是当代数学需要这种东西，尽管为了幸免逻辑陷坑，东说念主们必须留心性将两者磋商起来，而不是确切将它们等同起来。当代数学的一个分支称为范围论（category theory），使咱们能够开脱窘境——将“鸭子测试”不仅期骗于复数，而且期骗于咱们研究的简直总共其他事物。【注#7】

汉密尔顿揭开复数微妙面纱的标记形势补充了仍是很广泛的几何花式，该花式将√(-1)与位于y轴上的笛卡尔平面中的点关联联，这个点比原点高一个单元。要是将两种神志的去微妙化纠合起来——“复数只是平面上的点”和“复数只是实数对”——就会得出“平面上的点只是实数对”。这为四维空间的去微妙化洞开了大门，因为还有什么比括号内用逗号分隔的四个数字更粗俗无奇的呢？几代东说念主之后，可能是希尔伯特迈出了对欧几里得空间进行算术化的终末一步（杰出欧几里得边幅对于总共正整数n的 n维欧几里得空间，而不单是是 1、2 和 3），但洞开希尔伯特将要走过的大门的是汉密尔顿。

问题

汉密尔顿设计了数对的一种算术后，天然想知说念是否有办法推论到三元数triple（或者，他就怕称之为三元组triplet）。正如他自后在《四元数讲座》（1853年）的序论中所写的那样：“关联词，有一个动机促使我独特宝贵探究三元数......这是以某种新的和有用的（或至少敬爱的）形势，通过一些未被发现的推论，将诡计与几何学联接到三维空间的愿望。”

因此，汉密尔顿探究了神志为（a， b， c）的三元数，每个三元数王人被视为代表一个“超复数”（hypercomplex）a + bi + cj，其中i是-1的普通平方根，j是-1的另一个平方根，与i和-i王人不同。汉密尔顿很了了如何界说三元数的加法：就像 a+bi 加上 a'+b'i 等于 (a+a')+(b+b')i，汉密尔顿看到 a+bi+cj 加上 a'+b'i+c'j 应该等于 (a+a')+(b+b')i+(c+c')j 。

但是乘法应该如何界说呢？这个问题困扰了汉密尔顿多年，他并莫得向家东说念主潜伏我方的郁闷。正如他自后在给犬子阿奇博尔德（Archibald）的一封信中所说：

“1843年10月初，每天早上，当我下来吃早餐时，你的哥哥威廉·埃德温（William Edwin）和你往往问我：'爸爸，你能作念三元数的乘法吗？’我老是不得不悲哀地摇摇头回答，'不，我只会加减。’”

天然，汉密尔顿可以用广泛种形势界说三元数的乘法，举例通过公式 a + bi + cj 乘以 a' + b'i + c'j 等于 (aa') + (bb')i + (cc')j，就像他可以通过公式 a + bi 乘以 a' + b'i 等于 (aa') + (bb')i。但是后一个界说不会给出任何极度敬爱的东西（独特是，它不会给出一种想考复数的花式），是当年一个界说不是他想要的东西。但是，当他还莫得发刻下，他岂肯说出想要发现的东西呢？

其实他知说念想要雷同复数的乘法章程。那么数对乘法章程中的什么性质，他可能但愿三元数乘法章程也能知足呢？

他挑出了两种性质。第一种性质是分拨律（distributive law），它断言 (a + bi)(c + di) 可以张开为(a)(c) + (a)(di) + (bi)(c) + (bi)(di)，或张开为 ac + adi + bci + bdii （是的 ，ii = −1，但这不是分拨率的一部分）。第二个性质是模定律（moduli law），它断言，要是咱们把 (a + bi)(c + di) 写为 x + yi，则 x + yi 的模（modulus，即联接 (x， y) 到 (0， 0)的线段长度）应该是 a + bi 的模和 c + di 的模的乘积。这是我在《螺旋寰宇的歪曲数字》 https://mathenchant.wordpress.com/2022/07/17/twisty-numbers-for-a-screwy-universe/ 中写到的“向量大小的乘法”（magnitudes multiply）章程。换句话说，√(x²+y²) 应该等于 √(a²+b²) 乘以 √(c²+d²)，或者（去掉那些愤激的平方根）x²+y² 应该等于 (a²+b²)(c²+d²)。【注#8】

因此，汉密尔顿牢牢收拢类比（analogy）的缰绳，寻求一种花式将乘积（a+bi+cj)(d+ei+fj）写成(...) + (...)i + (...)j（咱们将那些未知的括号抒发式称为 x、y 和 z），这么 x + yi + zj 将等于张开后ad + aei + afj + bdi + beii + bfij + cdj + ceji + cfjj的和（一种新的分拨律），同期 x² + y² + z² 的和因式领会为 (a²+b²+c²)(d²+e²+f²)（新的模定律）。

鉴于新分拨性质假定的正确性，汉密尔顿需要作念的便是弄了了ii，jj，ij和ji是什么（或者更实在地说应该是什么），他能将任何三元数乘以任何其他三元数，尽管要是他作念出诞妄选定，则对三元数的运算将无法知足他想要的模定律。他仍是知说念但愿 ii 和 jj 等于 −1，是以只需弄了了如那儿理 ij 和 ji 的问题。伊始他设两者等于 0，但这导致了问题。事实上，方程 ij = 0 与模定律相矛盾，因为 i 和 j 的模均为 1，而 0 的模为 0。

汉密尔顿决定放宽ij = ji = 0的假定，但保留ij和ji是彼此相背数的假定。也便是说，他假定对于 p、q 和 r 的某种明智选定，会有 ij = p+qi+rj，而 ji = −p−qi−rj。他给 i 和 j 的未知乘积起了 k 这个名字，并发现使用 ij = k 和 ji = −k 会导致两个一般三元数的乘积模中出现一些看起来很有但愿的对消（cancellation）。事实上，他发现这两个公式导致了其他四个雷同的公式：jk = i，kj = −i，ki = j和ik = −j。但是他找不到数字p，q和r可以使完整的假定见效。

科罚有缱绻

1843年10月16日，汉密尔顿和他的妻子沿着皇家运河的纤说念行行运，成见上的僵局得到了科罚。他短暂料到，他的k不是一个需要解出的未知数；它是一个放心的虚数单元，与i和j是对等的伙伴。也便是说，他一直试图作念三元数乘法是诞妄的；相背，他应该探究将神志 a + bi + cj + dk 的四元数相乘。章程 ii = −1， ij = k， ik = −j， ji = −k， jj = −1， jk = i， ki = j， kj = −i 和 kk = −1（与分拨律纠合）给出了诡计任何两个四元数乘积的设施，况兼，正如他沿着运河赢得直观并在自后考证的那样，四元数乘法的这种界说知足模定律。汉密尔顿粗糙地将他的中枢发现雕镂到运河沿岸的石桥来顾虑这一破坏：

i²=j²=k²=ijk=-1

汉密尔顿在布鲁姆桥上的雕镂早已被抹去，但这个故事是数学家时有滑稽而包涵的顾虑碑。也许它也应该成为数学家夫妻具有耐烦的顾虑碑；我想汉密尔顿夫东说念主那时在想“为什么他弗成像其他东说念主雷同在餐巾纸上写这些东西？”但她把这个想法只留给了我方。

在他赢得发现后的第二天，汉密尔顿写信给他的大学一又友数学家约翰·格雷夫斯（John Graves），他和他的昆玉罗伯特·格雷夫斯（汉密尔顿最终的列传作家）和查尔斯·格雷夫斯雷同，对空间代数的成见沦落，他们的管事在某些方面启发了汉密尔顿我方的想法。汉密尔顿写说念：“...在这里，我短暂意志到，在某种意旨上，咱们必须承认空间的第四维，以便用三元数进行诡计。...咱们必须承认第三个虚数标记 k，不要与 i 或 j 浑浊，它是等于以i作为被乘数，j作为乘数的乘积；因此，我被引入如a + bi + cj + dk即(a， b， c， d)四元数之门【注#9】。”汉密尔顿是第一个，但远非终末一个，数学家遭遇“特殊维度”的迷东说念主征象，其中某些赶巧使奇特的事情发生。【注#10】

格雷夫斯很快就看到了汉密尔顿所作念的事情的紧要性，况兼比汉密尔顿更快地看到了它如何导致更高的维度。格雷夫斯在回答中写说念：“要是用你的真金不怕火金术可以制造出三磅黄金，你为什么要留步于此？”（其中“三”概况是汉密尔顿的i，j和k）。两个月后，格雷夫斯写信给汉密尔顿，冷漠了他我方的数字系统，他称之为“八元数”（octave），涵盖汉密尔顿的，但加入了四个新的虚数单元l，m，n和o。八元数是由数学家亚瑟·凯莱（Arthur Cayley）放心发现的（有些东说念主称它们为凯莱数），面前平时被称为八元数（octonian）。还值得一提的是，八元数乘法弗成知足纠合性质：也便是说，要是o，p和q是八元数，那么乘积(op)q和乘积o(pq)平时不格外。在这里，咱们看到了一个我称之为量度（trade-off，鱼与熊掌不可兼得）原则的例子：数学系统范围的扩大平时需要焚烧某个一般性祭坛上的东西。

咱们之前仍是看到了量度原则。探究一下：当咱们从实数转向复数时，咱们失去了三分法定律（trichotomy law，给定两个实数r和s，r < s奇米影视盒首页，r = s，r >s三种关系中恰有之一建立），事实上，说一个复数小于或大于另一个复数应该是什么敬爱是不了了的。复数知足交换律（commutative law，给定两个复数α和β，αβ = βα），但是当咱们从复数转移到四元数时，咱们失去了交换性质。因此，当咱们从四元数转移到八元数时，咱们失去了纠合性，这不应该让咱们感到诧异。咱们向更全面的数字系统发展，有所扩大，但也有所稀释。（除了八元数以外，还有一些系统，独特是十六元数（sedenion），焚烧了更多的性质，举例模定律，但我对它们无话可说）。是以，我对格雷夫斯的反问“为什么要留步于此？”的回答是，童话中贪图者所知的东说念主生劳作事实：愿望成真，但需代价。

1844年，汉密尔顿已毕了他使用四元数将诡计与几何和物理学磋商起来的愿望。他觉得四元数 a+bi+cj+dk 是两部分的和：他称a为标量部分，bi+cj+dk为向量部分——可写成三元数 (b， c， d)。他指出，他的向量为牛顿对于速率和力相加的想想提供了一种天然讲话。更紧要的是，汉密尔顿标明，要是将每个四元数写为标量和向量的总额（a+v，举例，其中v = bi+cj+dk），那么两个四元数a+v和a'+v'的乘积可以张开为多样放心敬爱抒发式的和：标量aa'；标量 − bb' − cc' − dd'；向量 ab'i + ac'j + ad'k 和 a'bi + a'cj + a'dk 和向量 (cd'−c'd)i + (b'd−bd')j + (bc'−b'c)k。是以事实上，他最终找到了三种紧要的新花式来乘以三元数（抒发式 ab'i + ac'j + ad'k 和 a'bi + a'cj + a'dk 以雷同形势形成，因此它们当作一种单一的乘法花式）。第一种花式将向量乘以向量以产生标量；第二种花式将标量乘以向量以产生一个向量；第三种将向量乘以向量以产生向量。其中第三种在某些方面接近汉密尔顿伊始寻求的“一种新的有用（或至少敬爱）的三元数乘法花式”，它知足分拨律，但它不知足模定律，是以他莫得探究它，直到它作为四元数乘法的副居品出现。（它也不是知足纠合率的）。【注#11】

汉密尔顿还想出了如何将四元数与三维空间中的旋转磋商起来。这是一件很天然的事情，因为复数与二维空间中的旋转密切关联。复数 w = cos θ + i sin θ 具有以下性质：当你将其他复数 z 乘以 w 时，你将 z 围绕复平面的原点旋转一个角度 θ。汉密尔顿发现了一个雷同的四元数故事，尽管与四元数的非交换性质保持一致，但它有点难办。为了使用旋转向量 w 对三维向量 v 进行操作，咱们得到wvw'，其中 w' 是 cos θ − i sin θ（w 的倒数）。向量 wvw'是向量 v围绕i轴旋转 2θ 角。（2 这个因子很紧要；预示着四元数在20世纪初被放弃以及它们在20世纪末的回生，我将稍后解释）。

汉密尔顿甘愿在他的四元数界说中放弃交换性质，这天然是一个斗胆而紧要的设施，但它并不是造谣而来的。莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）仍是诠释，当一个东说念主驯顺球体的一个轴旋转，绕第二个轴旋转时，复合操作又是围绕第三个轴旋转一定角度，他知说念实践两个重量旋转的划定会影响赢得的复合操作。这是你可以用任何大致为立方体的物体搪塞考证的东西（一册书就可以了）。将书放在你面前的桌子上，先旋转90度俯仰角（pitch，围绕x轴旋转），然后旋转90度横滚角（roll，围绕z轴旋转），并防御书的处所。面前重迭实验，但这次先进行俯仰角旋转；你会防御到，这本书的最终处所与那种先俯仰角旋转然后横滚角旋转不同。要是按照先俯仰角后偏航角（yaw，围绕y轴旋转），或先偏航角后横滚角，情况也有所不同。https://zh.wikipedia.org/wiki/航空器三主轴 

图片

汉密尔顿知说念欧拉的管事，是以他可能怀疑，要是他的新数字要边幅三维旋转，那么新数字必须分摊旋转已具有的非交换性。【注#13】

有一些敬爱的谜题基于三维空间中旋转不知足交换率，以及在桌子上回荡立方体时，它可以按照与启动不同的处所回到原位置这一关联事实。罗伯特·阿博特（Robert Abbott）始创了所谓的回荡立方体迷宫；一个具有挑战性的例子是 https://logicmazes.com/rc/gms5.html 。要是你更可爱带有视频组件的回荡对象游戏，请检察Block 'n' Roll https://www.playit-online.com/puzzle-onlinegames/block'n'roll/ 。或者，要是你想要与四元数更胜仗关联的游戏，请尝试“Groupdoku”四元数游戏 http://quadratablog.blogspot.com/2018/08/mathfest-2018-puzzles-quaternion.html 或汉密尔顿纸牌游戏 http://www.mathsireland.ie/hamilternion 。

死一火与新生

要是四元数表面是想想商场上的一家初创公司，那么它的股票价值将在汉密尔顿的伟大发现三十年后达到顶峰，那时物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）使用四元数来制定他的电磁学表面。

从那之后启动走下坡路。汉密尔顿尽管（或者也许是因为）有诗意神韵，但并不有助于让他成为他的表面最澄莹的解释者；他往往很啰嗦。在他终末一次尝试解释四元数（威廉身后由他的犬子完成）时，他继承了欧几里得的《几何底本》作为他的模子，并散失了他早期的四元数代数公式，转而使用更几何的东西，这天然更无助。汉密尔顿觉得，他伊始的“i，j和k”花式的纰谬在于，它需要独特选定三个垂直轴。你选定哪三个垂直轴最终并不紧要，但你必须选定，不然你就无法将表面付诸实践。汉密尔顿约莫在1848年写说念：“我觉得四元数是不优雅或不竣工的，或者更实在地说，迄今为止，它张开的景况一朝变得或似乎有必要乞助于x，y，z等时，是不优雅或不竣工的”。因此，他冷漠了一种新的花式，其中向量位于欧几里得的3维空间中（莫得偏疼的轴），四元数被界说为一个向量的商除以另一个向量。这种花式很难驯顺，而跟着时刻的推移，越来越少的东说念主阅读汉密尔顿的四元数底本。用凯莱的话来说，四元数代数就像一张微型舆图，“它包含了一切，但必须张开成另一种神志才智被相识。”

张开的东说念主是Josiah Willard Gibbs（约西亚·威拉德·吉布斯），Oliver Heaviside（奥利弗·赫维赛德）和Hermann von Helmholtz（赫尔曼·冯·亥姆霍兹）的三东说念主组，他们扯破了四元数，鉴别了他们的标量和向量部分。在咱们的科技创业类比中，你可以将这三者视为企业洗劫者。他们看到汉密尔顿想出了一些优秀的居品，但莫得给它们打上烙迹，也莫得创造一个好的界面（即便捷的象征意旨）。因此，他们界说了

标量乘积

a(b， c， d) = (ab， ac， ad)

点积

(b， c， d)·(b'， c'， d') = bb' + cc' + dd'

叉积

(b， c， d)×(b'， c'， d') = (cd' − c'd)i + (b'd − bd')j + (bc' − b'c)k

总共这些王人是汉密尔顿发现但莫得定名的。完整的四元数乘积呢？“哦，那是四维的；难以瞎想；对咱们来说不是一个好居品。咱们若何能把它卖给一年级的学生呢？”这三东说念主从四元数公司的常识产权IP中窃取了“标量”和“向量”这两个词，但扔掉了无利可图的四元数本人。麦克斯韦使用汉密尔顿发明的三种神志的向量乘法（升级为微分算子散度 divergence、梯度 gradient和旋度 curl）重写了他的电磁学公式，莫得提到四元数。

汉密尔顿的数学与19世纪后期物理学的需求（如麦克斯韦在电磁学方面的管事）之间的一种不匹配可以在前边提到的倍角征象中看到。当你通过将四元数向量 v 前乘以向量 cos θ + i sin θ 并将其后乘以 cos θ − i sin θ 来操作四元数向量 v 时，你灵验地将 v 绕 i 轴旋转的角度为 2 θ 而不是 θ。要是 θ 是 180 度若何办？咱们的旋转将 v 发送到 （−1)(v)(−1），它等于 v。这可能看起来可以，但探究到(+1)(v)(+1）亦然v。是以咱们有两个不同的四元数，+1 和 −1，它们王人对应于围绕 i 轴的无操作的旋转。这种冗余并不是误操作的旋转所特有的；对于你可以在三维空间上实践的使原点固定不动的每种旋转，有两个四元数单元元可以完成这项管事。（将其与复数进行对比，其中复数单元元与围绕 0 的旋转之间存在逐个双应关系）。从某种意旨上说，四元数的复杂进度是吉布斯、赫维赛德和冯·亥姆霍兹所遐想的多样期骗所需的两倍。

作为莫大的玷污，著明物理学家威廉·汤姆森（William Thomson，笔名开尔文勋爵 Lord Kelvin）抒发了对非四元数向量的强烈偏好：“四元数来自汉密尔顿，在他确切出色的管事完成之后，天然精细隐私，但对于那些以任何形势构兵它们的东说念主来说，四元数是一种未搀杂的狰狞”。四元数学会（精致称号为海外促进四元数和关联数学系统研究协会）于1913年驱散。当我了解线性代数课程中的向量时，向量与标量相加是绝世超伦的——数学上相称于苹果与橘子相加。我怀疑我的结实不知说念向量的发明者强调投降你不仅可以，而且应该把标量和向量相加！

在某种进度上，四元数的问题在于它们在被需要之前提前出现。以我刚才谈到的翻倍征象为例。为什么应该有两种边幅每个旋转的形势？一个很好的谜底是，在机器东说念主技艺中，有两种拓扑不同的形势可以通过刚性连杆来已毕任何给定的旋转！这与这么一个事实联系，要是你手里拿着一个盘子，那么，不放开盘子或改革你抓住它的形势，而只需先将盘子放在你的手臂上，然后在它底下，你可以将盘子旋转 720 度，这么即使盘子仍是转了两圈，你的手臂位置还会跟当年雷同。通过重迭该动作（称为巴厘岛板妙技 Balinese plate trick），你可以已毕恣意偶数的旋转。但是，你的手臂无法只旋转一整圈，或任何奇数整圈，而回到当年的位置。四元数 +1 对应于通过偶数圈旋转板的机器东说念主机械装配，而四元数 −1 对应于通过奇数圈旋转板的机器东说念主机械装配。数学家安德·霍洛伊德（Ander Holroyd）制作了乐高机械斥地来阐述这一征象；请看他的视频“旋转连杆”（下图 https://youtu.be/oRPCoEq05Zk ）。

图片

要是你倾向于我方构建一个，请参阅他的阐述 https://rebrickable.com/mocs/MOC-50050/aeh5040/spinor-linkage/ 或随附的文章 https://arxiv.org/abs/2107.01681 。另请参阅维基百科文章反歪曲机械装配 https://en.wikipedia.org/wiki/Anti-twister_mechanism ，以了解联系如何幸免在电缆中歪曲的更多信息。

以致在机器东说念主技艺出现之前，就有了量子表面，独特是费米子（fermion）的成见：量子波函数知足费米-狄拉克统计的粒子。因而给粒子一个完整的旋转对应于将波函数乘以-1。（从未见过费米子？不，你见过，要是你在冬天触摸过门把手并受到电击的话；电子是费米子。）费米子的数学边幅用面前所谓的泡利矩阵（Pauli matrices）来表现，但用四元数也会作念得很好。

除了在机器东说念主技艺中的用途外，四元数面前还用于游戏软件。1996年发布的《古墓丽影》可能是第一款通过使用四元数已毕光滑三维旋转成果的巨匠商场视频游戏；联系更多信息，请参阅 Gameludere 文章《欧拉角、汉密尔顿四元数和视频游戏》https://www.gameludere.com/2020/03/12/euler-angles-hamilton-quaternions-and-video-games/ 。从1986年航天飞机的姿态限制机械装配启动，四元数在天外旅行中也阐述了作用。即使年青的爱尔兰皇家天文体家对19世纪的天文体莫得孝顺，汉密尔顿也对20世纪的航天产生了影响！

汉密尔顿在另一个方面是有预知之明的。在自后出书的《四元数讲座 Lectures on Quaternions》中，他添加了一个脚注，说：“将这个空间外的单元与时刻的成见磋商起来，是天然的（在我看来，面前仍然如斯）”。也便是说，在四元数a + bi + cj + dk中，他瞎想a是雷同时刻的，bi + cj + dk是雷同空间的。在这少量上，他料想了闵可夫斯基空间（Minkowski space），狭义相对论发生的舞台。还难忘麦克斯韦伊始用四元数写了总揽电磁学的方程，麦克斯韦方程（以去四元数的神志）启发了爱因斯坦的时空成见。要是麦克斯韦莫得被大向量（Big Vector）劝服，用标记重写他的方程，破裂四元数的标量和向量部分，狭义相对论会更早被发现吗？

我将以汉密尔顿我方以十四行诗（sonnet）的神志演绎他的伟大发现来结果，名为Tetractys（圣十）。【注#14】

高级数学之魔力严厉，

直线与数字乃吾主题；

觊觎它未竖立的后代，

而王座留在真谛苍穹；

之前想法越来越澄莹；

一维时刻和三维空间，

在标记链中牢牢环绕：

我渴慕而康复的耳朵，

捕捉到古曲眇小回声，

旧想想详尽宏伟暗昧，

他柔和一笑以示苏醒，

晚年我在西方征象中，

奴隶朦胧的毕氏外传；

作念微妙西游的四元梦。

图片

【尾注】

#1.为了公说念对待凯瑟琳的父母，应该防御的是，汉密尔顿从未告诉凯瑟琳，他的热诚不单是昆玉情感，更无谓说告诉她的父母他有任何忠心的意图了。

#2.尽管东说念主们很容易将威廉和凯瑟琳塑形成注定要失败的炫耀的悲催东说念主物，凯瑟琳的故事无疑是灾荒的，但威廉能够在他的性掷中陆续前进，而他与海伦的婚配是幸福的。

#3.1832年，汉密尔顿在一次对于天文体的演讲中声称：“尽管诗歌和科学之间存在总共确切的各别，但她们之间存在很强的相似性；两边王人领有的力量，将想想擢升到千里闷混乱的地球之上，并从初级道理中胜出；两者王人有燃烧可引发的包涵和对成名的好意思好愿望的倾向；王人可以将她的奉献者带入她我方创造的天下的魔力；也许，两者王人产生一种随之而来的倾向，对喧嚣震动的现实生活的不适合。

#4.在对这些细节进行了一次翔实考虑之后，华兹华斯写说念：“我可以毫无费心地说，这些诗句极度有活力，敬爱而富足诗意。它们所边幅的特性变化是一个有启发性的千里想对象，全体王人带着热诚运行”。尽管如斯，总的信息如故很明确的：你是一位优秀的诗东说念主，但却是天下级的数学家，是以要把元气心灵辘集在后者上！

两性

#5.今天咱们称这么的数对为有序对，其中包含修饰符“有序”是为了强调(2， 3)和(3， 2)将被解释为不同的数对。这个限制条目是必要的，以确保 2 + 3 i 和 3 + 2i 将被解释为不同的复数。

#6.追溯一下，汉密尔顿第一次构兵数学是通过默算（mental calculation）艺术。我推测，这种特殊的发蒙——专注于如何对数字进行操作，而不是数字的执行含义——使他倾向于数学实体的操作花式，这对于他处理复数以及他自后发明的四元数至关紧要。

#7.这是亨利·庞加莱（Henri Poincaré）写下“数学是给不共事物起疏浚称号的艺术”时所抒发的一部分敬爱。有序对 (0， 1)（汉密尔顿东说念主为算术的住户）和数字 −1（实数系统的住户）是不同的实体，但它们在如何与相应其他实体交互方面具有疏浚的属性，因此出于某些缱绻，咱们有权将它们视为疏浚。

#8.你可能会觉得，既然咱们面前是三维而不是二维，这些指数应该是3，而不是2。这是学生在学习如何将勾股定理推论到三维时平时作念出的揣度。但这两个确乎是正确的；从 (x， y， z)到 (0， 0， 0) 的距离是 x² + y² + z² 的平方根，而不是 x³ + y³ + z³ 的立方根。看到后一个公式不正确的一种花式是探究 z = 3 时的情况。要是立方和的立方根公式正确，则 (x， y， 0) 和 (0， 0， 0) 之间的距离必须是 x³ + y³ 的立方根。但由于 (0，0，0) 和 (x，y，0) 王人位于 z = 0 平面内，咱们可以期骗普通的二维距离公式，推导出 (x，y，0) 和 (0，0，0) 之间的距离是 x² + y² 的平方根，而不是 x³ + y³ 的立方根。

#9.自后他会后悔他莫得从希腊词根gram-（直线）和arithm-（数字）中称它们为grammarithm，从而咱们称之为四元数的标量和向量部分将改为称为grammarithm的arithmetic和grammic部分，但那时改革术语为时已晚。

#10.1898年，数学家阿说念夫·赫维茨（Adolph Hurwitz）标明，汉密尔顿未能弄了了如何作念三元数乘法并不是由于败落洞极力；汉密尔顿为我方设定的问题只可在维度1、2、4和8中已毕。这种征象的最新体现来自弦表面背后的数学，它只适用于某些“魔术”维度。

#11.受康德影响的汉密尔顿伊始试图将他的数学想想与代数作为纯时刻科学的不雅点磋商起来，这使他觉得代数应该仅限于研究知足纠合律的运算。当他遭遇非纠合运算，如八元数的乘法和他将向量乘以向量的形势时，这使他重新评估了他早期的态度，况兼他愈加赞同Peacock和德·摩根（de Morgan）的不雅点，即觉得代数是未解释标记的解放阐述。

#12.一个阐述性的例子是 w = i， w' = −i。咱们诡计

(w)(i)(w') = −iii = i

(w)(−i)(w') = +iii = −i

(w)(j)(w') = −iji = −j

(w)(−j)(w') = +iji = j

(w)(k)(w') = −iki = −k

(w)(−k)(w') = +iki = k

向量 i 和 −i 保持固定，而 j 和 −j 被交换，k 和 −k 被交换，正如咱们在围绕 i 轴旋转 180 度时所期许的那样。

#13.另一个可能导致汉密尔顿推断他需要他的乘法强横交换的旅途（尽管不是他执行遵命的旅途）是探究乘积(i − j)(i + j)。由于它是两个非零四元数的乘积，模定律意味着它必须强横零的。关联词，把柄分拨律，它张开为 ii + ij − ji − jj。由于 ii = jj = −1，因此第一项和第四项对消，得到 ij − ji。因此，不等式 (i − j)(i + j) ≠ 0 胜仗表现了 ij − ji ≠ 0 的不等式，这只是 ij ≠ ji 的另一种说法。

#14.在毕达哥拉斯微妙方针中，tetractys（圣十）是一个由十个点构成的三角形，每边有四个点，通过1 + 2 + 3 + 4的和来代表数字四。将四元数与这个微妙的标识磋商起来有点牵强。但是说到tetractys，这里有一个小的数学历史诡计论给你。你听说过一个被毕达哥拉斯昆玉会谋杀的喜帕索斯（Hippasus）吗？故事是这么的，他们这么作念是为了袭击喜帕索斯诠释（或者是为了宣传？）2平方根的颠倒性。但这只是一个封面故事。他确切的“罪孽”，被昆玉会潜伏了两千年，是发明了今天被称为保龄球的亵渎通顺。

参考文件

埃莉诺·菲茨西蒙斯，《押韵者和分析师：威廉·华兹华斯和威廉·罗文·汉密尔顿的友谊》 https://wordsworth.org.uk/blog/2015/05/10/a-rhymer-and-an-analyst-the-friendship-of-william-wordsworth-and-william-rowan-hamilton/

威廉·罗文·汉密尔顿，《四元数讲座》（王人柏林，1853年） https:///details/lecturesonquater1853hami

威廉·罗文·汉密尔顿，《四元数元素》（王人柏林，1866年） https:///details/elementsquaterni00hamirich

威廉·罗文·汉密尔顿，《时刻之一，空间三东说念主：威廉·罗文·汉密尔顿爵士诗集》 https://web.mit.edu/redingtn/www/netadv/SP20141215.html

凯西琼斯，《四元数是惊东说念主的，威廉·罗文·汉密尔顿亦然如斯！》 https://www.youtube.com/watch?v=CdwxpSInhvU

亚历山大·麦克法兰，威廉·罗文·汉密尔顿爵士，《十九世纪十位英国数学家讲座》第3章 https://etc.usf.edu/lit2go/27/lectures-on-ten-british-mathematicians/272/chapter-3-sir-william-rowan-hamilton/

MacTutor，《威廉·罗文·汉密尔顿》 https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Hamilton/

Colm Mulcahy，Anne van Weerden和Michel Destrade，《19世纪爱尔兰数学家如何匡助NASA参预天外》 https://www.rte.ie/brainstorm/2019/1016/1083716-how-a-19th-century-irish-mathematician-helped-nasa-into-space/

Jose Pujol， 《汉密尔顿、罗德里格斯、高斯、四元数、旋转：历史再评估》， 2012.1 数学分析通信 13(2) https://projecteuclid.org/journals/communications-in-mathematical-analysis/volume-13/issue-2/Hamilton-Rodrigues-Gauss-Quaternions-and-Rotations-aHistorical-Reassessment/cma/1349803591.full

Jose Pujol，《对于汉密尔顿在旋转和四元数之间关系以及旋转组合形势的简直被淡忘的早期管事》，2014.6 好意思国数学月刊 121(6) https://www.jstor.org/stable/10.4169/amer.math.monthly.121.06.515

王人柏林三一学院，《边幅四元数发现的信件》 https://www.maths.tcd.ie/pub/HistMath/People/Hamilton/Letters/BroomeBridge.html

B. L. van der Waerden，《汉密尔顿对四元数的发现》，《数学杂志》，第49卷，第5期，1976.11  https://www.maa.org/sites/default/files/images/images/upload_library/22/Allendoerfer/1977/0025570x.di021097.02p0154a.pdf

安妮·范·韦尔登，《凯瑟琳·迪斯尼：列传素描》 https://annevanweerden.nl/docs/Catherine_Disney.pdf

安妮·范·韦尔登，《维多利亚时期的婚配：威廉·罗文·汉密尔顿爵士》 https://annevanweerden.nl/VictorianMarriage.html

维基百科，《四元数的历史》 https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_quaternions

维基百科，《威廉·罗文·汉密尔顿》 https://en.wikipedia.org/wiki/William_Rowan_Hamilton

查理伍德，《催生当代代数的奇怪数字》，量子杂志，2018-9-6 https://www.quantamagazine.org/the-strange-numbers-that-birthed-modern-algebra-20180906/

原文连续：

https://mathenchant.wordpress.com/2023/05/17/hamiltons-quaternions-or-the-trouble-with-triples/

让数学

愈加

易学易练，

易教易研，

易赏易玩，

易见易得，

易传易及奇米影视盒首页。

本站仅提供存储服务，总共内容均由用户发布，如发现存害或侵权内容，请点击举报。