Кіріспе
Геометрия үшін жасалған алгебралық құрылым. Математикада геометриялық алгебра (сондай-ақ Клиффорд алгебрасы деп аталады) — векторлар сияқты геометриялық объектілермен жұмыс істеу үшін элементарлық алгебраның кеңейтілуі. Геометриялық алгебра екі негізгі операцияға негізделген: қосу және геометриялық көбейту. Векторларды көбейту нәтижесінде жоғары өлшемді объектілер пайда болады, олар мультивекторлар деп аталады. Геометриялық объектілерді манипуляциялаудың басқа формализмдерімен салыстырғанда, геометриялық алгебра векторлық бөлуді (әдетте барлық элементтер үшін емес) және әртүрлі өлшемдегі объектілерді қосу мүмкіндігімен ерекшеленеді. Геометриялық көбейтіндіні алғашқы рет Герман Грасманн қысқаша сипаттады, ол негізінен осымен тығыз байланысты сыртқы алгебраны дамытуға қызығушылық танытты. 1878 жылы Уильям Кингдон Клиффорд Грасманның жұмысын кеңейтіп, оның құрметіне қазір Клиффорд алгебрасы деп аталатын құрылымды қалыптастырды (Клиффорд өзі оларды «геометриялық алгебралар» деп атауды қалаған болса да). Клиффорд Клиффорд алгебрасын және оның көбейтіндісін Грасман алгебрасы мен Гамильтонның кватернион алгебрасын біріктіретін құрал ретінде анықтады. Грасман сыртқы көбейтіндісінің («келісу») дуалысын қосу Грасман–Кэйли алгебрасын пайдалануға мүмкіндік береді, ал оның конформдық түрі конформдық Клиффорд алгебрасымен бірге конформдық геометриялық алгебраны (CGA) құрайды, бұл классикалық геометриялар үшін база болып табылады. Іс жүзінде, осы және бірнеше туынды операциялар алгебраның элементтерінің, субкеңістіктерінің және операцияларының геометриялық интерпретациясына сәйкес келуге мүмкіндік береді. Бірнеше ондаған жылдар бойы геометриялық алгебралар көбінесе назардан тыс қалды, оларды электромагнетизмді сипаттау үшін жаңадан дамытылған векторлық есептеулер басып озды. «Геометриялық алгебра» термині 1960 жылдары Гестенс тарапынан қайта танымал болды, ол оның релятивистік физика үшін маңыздылығын жақтады. Скалярлар мен векторлар әдеттегідей интерпретацияланады және геометриялық алгебраның ерекше кіші кеңістіктерін құрайды. Бивекторлар векторлық есептеудің псевдовекторлық шамаларын, әдетте көлденең көбейтінді арқылы анықталатын, мысалы, бағытталған аудан, бағытталған айналу бұрышы, айналу моменты, бұрыштық импульс және магнит өрісі сияқты табиғи түрде көрсетеді. Тривектор бағытталған көлемді білдіре алады және т.б. 1=V субкеңістігін және сол субкеңістікке ортогональды проекцияларды бейнелеу үшін «жар» деп аталатын элемент қолданылуы мүмкін. Айналулар мен шағылысулар элементтер ретінде бейнеленеді. Векторлық алгебрадан айырмашылығы, геометриялық алгебра кез келген өлшемділіктерді және релятивистік физикадағыдай кез келген квадраттық форманы қабылдайды. Физикада қолданылатын геометриялық алгебралардың мысалдарына кеңістік-уақыт алгебрасы (және физикалық кеңістіктің сирек қолданылатын алгебрасы) және конформдық геометриялық алгебра жатады. Геометриялық есептеу, дифференциациялау мен интеграцияны қамтитын GA-ның кеңейтімі, дифференциалдық нысандардың орнына Клиффорд алгебрасын пайдалану арқылы күрделі талдау және дифференциалдық геометрия сияқты басқа теорияларды тұжырымдау үшін қолданылуы мүмкін. Геометриялық алгебраны физиканың балама математикалық құрылымы ретінде Дэвид Хестенс және Крис Доран жақтады. Оның жақтаушылары оның классикалық және кванттық механика, электромагниттік теория және релятивистік теория сияқты көптеген салаларда ықшам және интуитивті сипаттамаларды ұсынатынын мәлімдейді. GA сонымен қатар компьютерлік графика және робототехникада есептеу құралы ретінде қолданыс тапты.
In mathematics, a geometric algebra (also known as a Clifford algebra) is an extension of elementary algebra to work with geometrical objects such as vectors. Geometric algebra is built out of two fundamental operations, addition and the geometric product. Multiplication of vectors results in higher dimensional objects called multivectors. Compared to other formalisms for manipulating geometric objects, geometric algebra is noteworthy for supporting vector division (though generally not for all elements) and addition of objects of different dimensions. The geometric product was first briefly mentioned by Hermann Grassmann, who was chiefly interested in developing the closely related exterior algebra. In 1878, William Kingdon Clifford greatly expanded on Grassmann's work to form what are now usually called Clifford algebras in his honor (although Clifford himself chose to call them "geometric algebras"). Clifford defined the Clifford algebra and its product as a unification of the Grassmann algebra and Hamilton's quaternion algebra. Adding the dual of the Grassmann exterior product (the "meet") allows the use of the Grassmann–Cayley algebra, and a conformal version of the latter together with a conformal Clifford algebra yields a conformal geometric algebra (CGA) providing a framework for classical geometries. In practice, these and several derived operations allow a correspondence of elements, subspaces and operations of the algebra with geometric interpretations. For several decades, geometric algebras went somewhat ignored, greatly eclipsed by the vector calculus then newly developed to describe electromagnetism. The term "geometric algebra" was repopularized in the 1960s by Hestenes, who advocated its importance to relativistic physics. The scalars and vectors have their usual interpretation, and make up distinct subspaces of a geometric algebra. Bivectors provide a more natural representation of the pseudovector quantities of vector calculus normally defined using a cross product, such as oriented area, oriented angle of rotation, torque, angular momentum and the magnetic field. A trivector can represent an oriented volume, and so on. An element called a blade may be used to represent a subspace of 1= V and orthogonal projections onto that subspace. Rotations and reflections are represented as elements. Unlike a vector algebra, a geometric algebra naturally accommodates any number of dimensions and any quadratic form such as in relativity. Examples of geometric algebras applied in physics include the spacetime algebra (and the less common algebra of physical space) and the conformal geometric algebra. Geometric calculus, an extension of GA that incorporates differentiation and integration, can be used to formulate other theories such as complex analysis and differential geometry, e. g. by using the Clifford algebra instead of differential forms. Geometric algebra has been advocated, most notably by David Hestenes and Chris Doran, as the preferred mathematical framework for physics. Proponents claim that it provides compact and intuitive descriptions in many areas including classical and quantum mechanics, electromagnetic theory and relativity. GA has also found use as a computational tool in computer graphics and robotics.
Кіші кеңістіктердің бейнеленуі
Геометриялық алгебра кеңістіктің кіші кеңістіктерін бланкілер түрінде көрсетеді, сондықтан олар векторлармен бірге бір алгебрада болады. 1= V-ден алынған 1= k өлшемді кіші кеңістік ортогональдық базис таңдап, геометриялық көбейтіндіні қолдану арқылы 1= D = b 1b 2…b k бланкісі құрастырылады. 1= W-ні көрсететін бірнеше бланкілер бар; олардың барлығы 1= D-нің скалярлық еселіктері болып табылады. Бұл бланкілер екі жиынға бөлінеді: 1= D-нің оң еселіктері және теріс еселіктері. Бланкілер маңызды, себебі проекциялар, айналымдар және шағылыстар сияқты геометриялық операциялар сыртқы көбейтінді арқылы жіктелуге байланысты, осы мүмкіндікті (шектелген класс) 1= n бланкілері ұсынады, бірақ (жалпыланған класс) 1= n мультивекторлары 1= n ≥ 4 жағдайында ұсынбайды.
Псевдоскаляр бірліктер
Бөлшектік псевдоскалярлар – GA-да маңызды рөл атқаратын блейдтер. Бөлшектік псевдоскаляр – бұл 1=W ортонормалды негізінің мүшелерінің көбейтіндісі болып табылатын блейд. Егер 1=W үшін екі псевдоскаляр 1=I^2 = ±1 тең болса, онда 1=I^2 = ±1. Егер 1=W үшін ортонормалды негіз таңдалмаса, Плюкердің ендірілуі сыртқы алгебрада вектор береді, бірақ ғана масштабтауға дейін. Геометриялық алгебра мен сыртқы алгебра арасындағы векторлық кеңістік изоморфизмін қолдану арқылы, бұл 1=α ≠ 0 үшін эквиваленттілік класын береді. Ортонормалдылық жоғарыдағы таңбалардан басқа бұл екі мәнділікті жояды. Геометриялық алгебраны, 1=R^n-дегі стандартты оң анықталған ішкі көбейтіндімен құрылған деп есептейік. 1=R^n кеңістігіндегі жазықтық (екі өлшемді кіші кеңістік) берілген болса, осы жазықтықты жабатын ортонормалды негізді табуға болады, соның арқасында осы жазықтықты білдіретін бірлік псевдоскалярды табуға болады. Осы негіздің жазықтығындағы кез келген екі вектордың геометриялық көбейтіндісі 1= {α0 + α1I | αi ∈ R} жиынында жатады, яғни ол 1=0 вектор мен 1=2 вектордың қосындысы болады. Геометриялық көбейтіндінің қасиеттеріне сәйкес, 1=I^2 = b1b2b1b2 = b1b2b2b1 = 1. Көрінетін ұқсастық кездейсоқтық емес: 1=R алгебрасы бойынша субкеңістік күрделі сандарға изоморфты. Осылайша, күрделі сандардың көшірмесі геометриялық алгебраға квадраттық формасы анықталған әрбір екі өлшемді кіші кеңістік үшін енгізіледі. Кейде физикалық теңдеуде жорамал бірліктің болуын анықтау мүмкін. Мұндай бірліктер нақты алгебрадағы 1=1 квадратына тең болатын көптеген шамалардың бірінен туындайды және алгебраның қасиеттері мен оның әр түрлі кіші кеңістіктерінің өзара әрекеттесуіне байланысты геометриялық мағынаға ие. 1=G(3,0) жағдайында тағы бір таныс жағдай туындайды. 1=V ортонормалды векторлардан тұратын стандартты негізді қарастыра отырып, барлық 1=2 векторлар жиыны осы 1=i, 1=j және 1=k (сәт уақытында үлкен әріптердегі конвенциямыздан ауытқып) белгіленген векторлармен жабылады, ал 1=0 және 1=2 векторлармен туындаған кіші кеңістік дәл 1= {α0 + iα1 + jα2 + kα3 | αi ∈ R} болады. Бұл жиын 1=G(3,0) алгебрасының жұп субальгебрасы болып табылады, сонымен қатар 1=R алгебрасы ретінде кватерниондарға изоморфты, тағы бір маңызды алгебралық жүйе.
Labelling these 1= i , and (momentarily deviating from our uppercase convention), the subspace generated by 1= 0 vectors and 1= 2 vectors is exactly 1= \{ \alpha 0 + i \alpha 1 + j \alpha 2 + k \alpha 3 \mid \alpha i \in \R\} This set is seen to be the even subalgebra of 1= \mathcal{G}(3,0) , and furthermore is isomorphic as an 1= \R algebra to the quaternions, another important algebraic system.
Сызықтық функциялар
Версормен жұмыс істеу оңайырақ, себебі оны алгебрада көпвектор ретінде тікелей бейнелеуге болады, ал версорлар – көпвекторлар бойынша сызықтық функциялардың кіші тобы, оларды қажет болған жағдайда қолдануға болады. 1=n өлшемді векторлық кеңістіктің геометриялық алгебрасы негіз элементтерімен жазылады. Егер көпвектор алгебра негізінің коэффициенттерінен тұратын нақты бағана матрицасымен бейнеленсе, онда көпвектордың барлық сызықтық түрлендірулерін нақты матрицаға матрицалық көбейту арқылы көрсетуге болады. Дегенмен, мұндай жалпы сызықтық түрлендіру сыныптар арасында кездейсоқ алмасуға мүмкіндік береді, мысалы, скалярдың векторға "айналуы", мұның геометриялық интерпретациясы анық емес. Вектордан векторға жүзеге асырылатын жалпы сызықтық түрлендіру қызығушылық тудырады. Индуцирленген сыртқы алгебраны сақтау шартымен, сызықтық түрлендірудің сыртқы морфизмі – версордың бірегей кеңейтімі болып табылады. Егер функция векторларды векторларға бейнелейтін сызықтық функция болса, онда оның сыртқы морфизмі – блед үшін жазылған және сызықтық арқылы бүкіл алгебраға кеңейтілген ережеге бағынатын функция болады.
for a blade, extended to the whole algebra through linearity.
Геометрияларды модельдеу
CGA-ға көп көңіл бөлінгенмен, GA тек бір алгебра ғана емес, ол бірдей маңызды құрылымы бар алгебралар отбасының мүшесі екенін ескеру қажет.
Біртекті модельдер
Гомогендік модельдер әдетте, векторлық кеңістіктің бір өлшемді кіші кеңістіктерінің элементтері геометрияның нүктелерін білдіретін проективтік бейнелеуге жатады. Өлшемі бар кеңістіктің геометриялық алгебрасында роторлар еркіндік дәрежесі бар түрлендірулер жиынтығын көрсетеді, бұл айналуларға сәйкес келеді – мысалы, болғанда және 1= n=4 болғанда. Геометриялық алгебра жиі проективтік кеңістікті модельдеу үшін қолданылады, яғни біртекті модель ретінде: нүкте, түзу, жазықтық және т.б. алгебра элементтерінің теңдестік класы арқылы бейнеленеді, олар инвертируемый скалярлық фактормен ерекшеленеді. Өлшемі кеңістіктегі роторлардың еркіндік дәрежесі 1=n өлшемді кеңістіктегі айналулар мен ауырулардың еркіндік дәрежесінің санымен бірдей. Бұл проективтік геометриялық алгебраның (PGA) жағдайы, ол Эвклид геометриясындағы Эвклидтік изометрияларды бейнелеу үшін қолданылады (осылайша геометрияның инженерлік қолданбаларының басым көпшілігін қамтиды). Бұл модельде үш Эвклид өлшемдеріне дегенеративті өлшем қосылып, алгебраны құрайды 1= \mathcal{G}(3,0,1). Нүктелерді, түзулер мен жазықтықтарды бейнелейтін кіші кеңістіктерді сәйкестендіру арқылы, бұл алгебраның версорлары барлық дұрыс Эвклид изометриясын білдіреді, олар әрқашан 3 өлшемді кеңістіктегі бұрандалы қозғалыстар, сонымен қатар барлық бұрыс Эвклид изометриясын, оған шағылыстар, роторшағылыстар, трансфлекциялар және нүктелік шағылыстар кіреді. PGA қос оператормен бірігіп, кездесу, қосылу, қашықтық және бұрыш формулаларын алуға мүмкіндік береді. Авторға байланысты бұл Ходж жұлдызы немесе проективтік дуалды білдіруі мүмкін, бірақ екеуі де бірдей теңдеулерді тудырады, бірақ әртүрлі белгілермен. Іс жүзінде, дуал алгебралық өрнектің әрбір мүшесіндегі бар және жоқ негізгі векторларды ауыстырады. Мысалы, PGA немесе 3 өлшемді кеңістікте, түзудің дуалы 1= \boldsymbol{e} {03} түзуі, себебі және элементтері -де жоқ, бірақ 1= \boldsymbol{e} {03} -де бар. 2 өлшемді кеңістіктегі PGA-да, дуалы 1= \boldsymbol{e} {0} болады, себебі элементі жоқ. PGA – геометриялық алгебраны геометриядағы біртекті бейнелеулермен біріктіретін кеңінен қолданылатын жүйе, бірақ мұндай жүйелердің тағы бірнешеуі бар. Төменде талқыланған конформальды модель гомогенді, сондай-ақ "Коникалық геометриялық алгебра" да гомогенді, ал эллиптік және гиперболалық геометрияның гомогендік модельдерін PGA-дан алынған Эвклид геометриясымен салыстыру үшін жазықтыққа негіделген геометриялық алгебраны қараңыз.
ХХ ғасырдан бұрын
Геометрия мен алгебраның байланысы б.з.б. III ғасырда Евклидтің "Элементтерінде" (грек геометриялық алгебрасын қараңыз) көрінгенімен, осы мақаладағы мағынасындағы GA 1844 жылға дейін дамыған жоқ, ол кеңістіктің геометриялық қасиеттері мен түрлендірулерін жүйелі түрде сипаттау үшін пайдаланылды. Сол жылы Герман Грасман геометриялық алгебра идеясын толыққанды түрінде, белгілі бір есептеу ретінде (ұсыныс есептеуіне ұқсас) ұсынды, ол кеңістіктің барлық геометриялық ақпаратын кодтады. Грасманның алгебралық жүйесін әртүрлі кеңістіктерге қолдануға болады, олардың ішіндегі бастылары – Евклид кеңістігі, аффиндік кеңістік және проективтік кеңістік. Грасманнан кейін, 1878 жылы Уильям Кингдон Клиффорд Грасманның алгебралық жүйесін Уильям Роуэн Гамильтонның кватерниондарымен бірге қарастырды. Оның пікірінше, кватерниондар белгілі бір түрлендірулерді (ол оларды роторлар деп атады) сипаттады, ал Грасманның алгебрасы белгілі бір қасиеттерді (немесе ұзындығы, ауданы және көлемі сияқты стрекендерді) сипаттады. Оның үлесі – қолданыстағы Грасман алгебрасында жаңа өнімді – геометриялық өнімді – анықтау болды, ол кватерниондардың сол алгебраның ішінде өмір сүретінін көрсетті. Кейіннен, 1886 жылы Рудольф Липшиц Клиффордтың кватерниондарды түсіндіруін жалпылады және оларды 1=n өлшемдегі айналу геометриясына қолданды. Бұл жетістіктер ХХ ғасырдың басқа математиктерін Клиффорд алгебрасының қасиеттерін ресмилендіруге және зерттеуге итермеледі. Дегенмен, 19-ғасырдың тағы бір революциялық дамуы геометриялық алгебраларды толығымен көлеңкеге түсірді: Джозиа Уиллард Гиббс және Оливер Хевисайд тәуелсіз түрде дамытқан векторлық талдау. Векторлық талдау Джеймс Клерк Максвеллдің электромагнетизмді зерттеуінен туындады, әсіресе белгілі бір дифференциалдық теңдеулерді ыңғайлы түрде өрнектеу және манипуляциялау қажеттілігінен. Векторлық талдау жаңа алгебралардың қатаңдығымен салыстырғанда белгілі бір интуитивті тартымдылыққа ие болды. Физиктер мен математиктер оны геометриялық құралдар жиынтығы ретінде тез қабылдады, әсіресе Эдвин Бидвелл Уилсонның 1901 жылғы "Векторлық талдау" оқулығынан кейін, Гиббстің дәрістерінен кейін. Геометриялық алгебраға үш тәсіл бар: 1843 жылы Гамильтон бастаған кватерниондық талдау және 1878 жылы Клиффорд роторлар ретінде геометриялық түрде бейнелегені; 1844 жылы Грасман бастаған геометриялық алгебра; және 19-ғасырдың соңында Гиббс пен Хевисайд кватерниондық талдаудан дамытқан векторлық талдау. Векторлық талдаудағы кватерниондық талдаудың мұрасы 1= i, 1= j, 1= k-ді 1= \mathbf{R}^3 кеңістігінің базалық векторларын көрсету үшін қолдануда көрінеді: олар таза жорамал кватерниондар ретінде қарастырылады. Геометриялық алгебра тұрғысынан алғанда, Уақыт-Кеңістік алгебрасының жұп субальгебрасы 3D Евклид кеңістігінің GA-ға изоморфты, ал кватерниондар 3D Евклид кеңістігінің GA-ның жұп субальгебрасына изоморфты, бұл үш тәсілді біріктіреді.
ХХ ғасыр және қазіргі заман
Клиффорд алгебрасын зерттеудегі прогресс ХХ ғасырда тыныш дамыды, бірақ бұл Эли Картан, Герман Вейл және Клод Шевальли сияқты абстрактты алгебраистердің жұмысына байланысты болды. Геометриялық алгебраға геометриялық тәсіл 20 ғасырда бірнеше рет қайта жаңғырылды. Математикада Эмиль Артиннің "Геометриялық алгебрасы" әр түрлі геометрияларға қатысты алгебраны, соның ішінде аффиндік геометрия, проективтік геометрия, симплектикалық геометрия және ортогоналдық геометрияны қарастырады. Физикада геометриялық алгебралар классикалық механика мен электромагнетизмді зерттеудің "жаңа" әдісі ретінде қайта жаңғырылды, сондай-ақ кванттық механика және өлшеу теориясы сияқты озық тақырыптар да пайда болды. Дэвид Хестенс Паули және Дирак матрицаларын сәйкесінше қарапайым кеңістік және кеңістік-уақыттағы векторлар ретінде қайта қарастырды және геометриялық алгебраны қолданудың негізгі қазіргі заманғы жақтаушысы болды. Компьютерлік графика және робототехникада геометриялық алгебралар айналулар мен басқа да түрлендірулерді тиімді бейнелеу үшін қайта жаңғырылды. ГА-ның робототехникадағы қолданылуы (бұранда теориясы, версорларды қолданатын кинематика және динамика), компьютерлік көру, басқару және нейрондық есептеу (геометриялық оқыту) үшін Байро (2010) еңбегін қараңыз.