2. 정의
가환환 K 위의 가군 V 위의 이차 형식 Q : V → K 가 주어졌을때, '''클리퍼드 대수''' Cliff(V,Q)는 V를 포함하는 가장 일반적인 K-단위 결합 대수이며, 다음의 공리를 만족시킨다.
:
즉, 범주론적으로 클리퍼드 대수는 다음과 같은 보편 성질을 만족시킨다. K 위의 단위 결합 대수들의 범주에서, j(v)^2 = Q(v)1A ∀ v ∈ V 를 만족시키는 임의의 대수 (A, j : V → A)가 주어지면, 다음 그림을 가환시키는 유일한 대수 준동형 f : Cliff(V,Q) → A 가 존재한다.
:
여기서 i : V → Cliff(V,Q)는 보통 생략한다.
이는 이차 공간(이차 형식을 갖춘 가군)의 범주에서 단위 결합 대수의 범주로 가는 함자를 정의한다.
:
(QModK의 사상은 가군 준동형 ϕ : M → N 가운데 QM = ϕ ∘ QN인 것이다.)
클리포드 대수 Cℓ(V, Q)는 쌍 (B, i)이며, 여기서 B는 K 위의 단위적 결합 대수이고 i는 i : V → B인 선형 맵으로, 모든 V의 v에 대해 i(v)2 = Q(v)1B를 만족하며, 다음 보편 성질에 의해 정의된다. K 위의 임의의 단위적 결합 대수 A와 j : V → A인 임의의 선형 맵이 주어지면
:
(여기서 1A는 A의 곱셈 항등원을 나타냄), 다음 가환하는(즉, f ∘ i = j) 고유한 대수 준동형 사상 f : B → A가 존재한다.
이차 형식 Q는 (필수는 아님) 쌍선형 형식으로 대체될 수 있으며, 이는 v, v = Q(v), v ∈ V의 성질을 가지며, 이 경우 j에 대한 동등한 요구 사항은 다음과 같다.
:
체의 특성이 2가 아닌 경우, 이는 다음과 같이 동등한 요구 사항으로 대체될 수 있다.
:
여기서 쌍선형 형식은 일반성을 잃지 않고 대칭으로 제한될 수 있다.
2. 1. 보편 성질을 통한 정의
가환환 K 위의 가군 V 위의 이차 형식 Q : V → K 가 주어졌을때, '''클리퍼드 대수''' Cliff(V,Q)는 V를 포함하는 가장 일반적인 K-단위 결합 대수이며, 다음의 공리를 만족시킨다.
:
즉, 범주론적으로 클리퍼드 대수는 다음과 같은 보편 성질을 만족시킨다. K 위의 단위 결합 대수들의 범주에서, j(v)^2 = Q(v)1A ∀ v ∈ V 를 만족시키는 임의의 대수 (A, j : V → A)가 주어지면, 다음 그림을 가환시키는 유일한 대수 준동형 f : Cliff(V,Q) → A 가 존재한다.
:
여기서 i : V → Cliff(V,Q)는 보통 생략한다.
이는 이차 공간(이차 형식을 갖춘 가군)의 범주에서 단위 결합 대수의 범주로 가는 함자를 정의한다.
:
(QModK의 사상은 가군 준동형 ϕ : M → N 가운데 QM = ϕ ∘ QN인 것이다.)
클리포드 대수 Cℓ(V, Q)는 쌍 (B, i)이며, 여기서 B는 K 위의 단위적 결합 대수이고 i는 i : V → B인 선형 맵으로, 모든 V의 v에 대해 i(v)2 = Q(v)1B를 만족하며, 다음 보편 성질에 의해 정의된다. K 위의 임의의 단위적 결합 대수 A와 j : V → A인 임의의 선형 맵이 주어지면
:
(여기서 1A는 A의 곱셈 항등원을 나타냄), 다음 가환하는(즉, f ∘ i = j) 고유한 대수 준동형 사상 f : B → A가 존재한다.
이차 형식 Q는 (필수는 아님) 쌍선형 형식으로 대체될 수 있으며, 이는 v, v = Q(v), v ∈ V의 성질을 가지며, 이 경우 j에 대한 동등한 요구 사항은 다음과 같다.
:
체의 특성이 2가 아닌 경우, 이는 다음과 같이 동등한 요구 사항으로 대체될 수 있다.
:
여기서 쌍선형 형식은 일반성을 잃지 않고 대칭으로 제한될 수 있다.
위에 설명한 클리포드 대수는 항상 존재하며 다음과 같이 구성할 수 있다. V를 포함하는 가장 일반적인 대수, 즉 텐서 대수 T(V)로 시작한 다음 적절한 몫을 취하여 기본적인 항등식을 적용한다. 이 경우 우리는 다음과 같은 형태의 모든 원소에 의해 생성되는 T(V)의 양쪽 아이디얼 IQ를 취하고자 한다.
: for all
그리고 Cℓ(V, Q)를 몫 대수로 정의한다.
:
이 몫에 의해 상속된 환 곱은 종종 외적 및 스칼라 곱과 구별하기 위해 '''클리포드 곱'''이라고 한다.
그러면 Cℓ(V, Q)가 V를 포함하고 위에서 설명한 보편 성질을 만족함을 쉽게 보일 수 있으므로, Cℓ은 고유한 동형까지 유일하다. 따라서 "the" 클리포드 대수 Cℓ(V, Q)에 대해 이야기한다. 또한 이 구성에서 i가 단사임이 따른다. 일반적으로 i를 생략하고 V를 Cℓ(V, Q)의 선형 부분 공간으로 간주한다.
2. 2. 텐서 대수를 통한 구성
클리퍼드 대수는 텐서 대수를 사용하여 구성할 수 있다. 체 위의 벡터 공간 와 위의 이차 형식 가 주어졌을 때, 클리퍼드 대수 는 텐서 대수 의 몫대수로 정의된다.
여기서 는 에 대한 -텐서 대수이며,
는 에 의하여 생성되는 양쪽 아이디얼이다.
이 정의에서 중요한 관계는 벡터의 제곱이 이차 형식의 값과 같아진다는 것이다. 즉, 모든 에 대해,
이다. 이 관계는 클리퍼드 대수의 기본 항등식을 적용하기 위해 사용된다.
이 경우
:
이므로, 두 벡터 원소의 반교환자는 의 연관 쌍선형 형식과 같다.
2. 3. 등급과 여과
텐서 대수 는 자연스러운 자연수 등급을 갖지만, 클리퍼드 대수는 텐서 대수의 몫으로 정의되므로, 이 자연수 등급은 보존되지 않는다. 그러나 등급은 보존되어, 클리퍼드 대수는 위의 -등급 대수를 이룬다.
클리퍼드 대수 에서 짝수 등급 부분 대수 역시 클리퍼드 대수를 이룬다.
비록 텐서 대수의 자연수 등급은 등급으로서 보존되지 않지만, 클리퍼드 대수 위에 자연수 오름 여과를 정의할 수 있다. 텐서 대수 의 등급으로 정의되는 오름 여과를 통해 클리퍼드 대수 위에도 여과가 존재하며, 이 여과로부터 정의되는 자연수 등급 대수는 외대수와 표준적으로 동형이다.
2. 4. 대합
가환환 위의 클리퍼드 대수 위에는 자기 동형 및 반자기 동형(anti-automorphism영어)이 존재하며, 이들은 클리퍼드 수반을 정의하는 데 사용된다.
클리퍼드 대수 위에 존재하는 자기 동형 는 다음과 같이 정의된다.
:
만약 의 표수가 2라면 이는 항등 함수이다. 는 항등 함수이므로 대합을 이룬다.
반자기 동형 는 다음과 같다.
:
:
여기서 는 반대환을 뜻한다.
와 를 합성하면 '''클리퍼드 수반'''(Clifford conjugation영어) 을 얻는다. 와 역시 대합을 이룬다.
이 연산들은 등급이 인 원소 에 대하여 다음과 같이 작용한다.
:
:
:
이는 에 따라 다음과 같이 결정된다.
| 연산 | | | | | | | | | |
| | | | |
| | | | |
2. 5. 노름과 내적
가환환 위의 클리퍼드 대수 위에는 다음과 같은 쌍선형 형식 및 이차 형식이 정의될 수 있다.
:
:
여기서 은 등급에서, 등급 0의 성분으로의 사영을 뜻한다.
이는 다음 성질을 만족시킨다.
:
특성이 2가 아닐 때, 위의 이차 형식 는 전체 (이는 또한 로 표기)에 대한 이차 형식으로 확장될 수 있다. 이러한 확장의 기저와 무관한 정의 중 하나는 다음과 같다.
여기서 는 의 스칼라 부분 (-등급에서 차수 0 부분)을 나타낸다. 다음을 보일 수 있다.
여기서 는 의 원소이며, 이 항등식은 의 임의의 원소에 대해서는 성립하지 않는다.
위의 연관된 대칭 쌍선형 형식은 다음과 같다.
이것이 로 제한될 때 원래의 쌍선형 형식으로 축소됨을 확인할 수 있다. 전체에 대한 쌍선형 형식은 에서 비퇴화일 때에만 비퇴화이다.
원소 의 전치 에 의한 왼쪽 (또는 오른쪽) 클리퍼드 곱셈 연산자는 이 내적에 대해 에 의한 왼쪽 (또는 오른쪽) 클리퍼드 곱셈의 수반이다. 즉,
그리고
3. 성질
가 체이며, 가 그 위의 유한 차원 벡터 공간이고, 그 차원이 이라고 하자. 그렇다면, 클리퍼드 대수 는 차원 벡터 공간이다. 이 의 기저라고 하자. 그렇다면 의 기저는 다음과 같이 주어진다.
:
4. 분류
가환환 K 위의 두 이차 공간 (V,Q), (V',Q')이 주어졌을 때, 그 직합 (V\oplus V',Q\oplus Q') 위의 클리퍼드 대수는 \mathbb Z/2-등급 K-단위 결합 대수로서 다음과 동형이다.[14]
:\operatorname{Cliff}(V\oplus V',Q\oplus Q';K)\cong\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\hat\otimes_K\operatorname{Cliff}(V',Q';K)
따라서, 클리퍼드 대수의 분류는 직합으로 분해할 수 없는 이차 공간 위의 클리퍼드 대수의 분류로 귀결된다.
표수가 2가 아닌 체 \(K\) 위의 \(n\)차원 벡터 공간 \(V\) 위에 비퇴화 이차 형식 \(Q\)로 정의되는 클리퍼드 대수 \(\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\)는 등급 중심 단순 대수이며, 이에 대하여 완전한 분류가 존재한다.[12]
- \(n\)이 짝수일 때: \(\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\)는 \(K\) 위의 중심 단순 대수이다.
- * \(\operatorname Z(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K))\cong K(\sqrt a)\) (\(a\in K^\times/(K^\times)^2)\)의 꼴이라면, \(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K)\)는 \(K(\sqrt a)\) 위의 중심 단순 대수이다.
- * \(\operatorname Z(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K))\cong K\times K\)의 꼴이라면, \(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K)\cong A^2\)는 \(K\) 위의 어떤 중심 단순 대수 \(A\)의 제곱과 동형이다.
- \(n\)이 홀수일 때: \(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K)\)는 \(K\) 위의 중심 단순 대수이다.
- * \(\operatorname Z(\operatorname{Cliff}(V,Q;K))\cong K(\sqrt a)\) (\(a\in K^\times/(K^\times)^2)\)의 꼴이라면, \(\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\)는 확대체 \(K(\sqrt a)\) 위의 중심 단순 대수이다.
- * \(\operatorname Z(\operatorname{Cliff}(V,Q;K))\cong K\times K\)의 꼴이라면, \(\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\cong A^2\)은 \(K\) 위의 어떤 중심 단순 대수 \(A\)의 제곱과 동형이다.
아르틴-웨더번 정리에 의하여, 체 \(K\) 위의 \(2^n\)차원 중심 단순 대수는 어떤 \(K\)-중심 단순 대수인 \(2^k\)차원 나눗셈환 \(D\) 위의 행렬환 \(\operatorname{Mat}(2^{n-k};D)\)과 동형이다.
가장 중요한 클리퍼드 대수는 비퇴화 이차 형식을 갖는 실수 및 복소수 벡터 공간 상의 것이다.
K=\mathbb C가 복소수체이며, (V,Q)가 비퇴화 이차 형식이 주어진 유한 차원 복소수 벡터 공간이라고 하자. 복소수의 경우, 부호수의 개념이 존재하지 않고, 오직 n=\dim_{\mathbb C}V만 고려하면 된다. 이에 대한 클리퍼드 대수를 \operatorname{Cliff}(n;\mathbb C)로 쓰면, 이는 \mathbb C-단위 결합 대수로서 다음과 같다.
:\operatorname{Cliff}(n;\mathbb C)\cong\begin{cases}
\operatorname{Mat}(2^{n/2};\mathbb C)&2\mid n\\
\operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb C)\oplus \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb C)&2\nmid n
\end{cases}
즉, 다음과 같은 주기 2의 보트 주기성이 존재한다.
:\operatorname{Cliff}(n+2;\mathbb C)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb C)\otimes_{\mathbb C}\operatorname{Cliff}(n;\mathbb C)
특히, 낮은 차원의 경우 이는 다음과 같다.
:\operatorname{Cliff}(0;\mathbb C)\cong\mathbb C
:\operatorname{Cliff}(1;\mathbb C)\cong\mathbb C\oplus\mathbb C (테사린)
:\operatorname{Cliff}(2;\mathbb C)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb C) (2×2 복소 행렬)
복소 벡터 공간에서도 클리퍼드 대수를 생각할 수 있다. 복소 벡터 공간상의 모든 비퇴화 이차 형식은 표준 대각 형식
:Q(z) = z_1^2 + z_2^2 + \cdots + z_n^2
와 동형이다. 따라서, 각 차원 ''n''에 대해 단 하나의 비퇴화 클리퍼드 대수가 존재한다. 표준 이차 형식을 가진 '''C'''''n'' 위의 클리퍼드 대수를 ''('''C''')}}로 표기한다.
K=\mathbb R가 실수체이며, V가 유한 차원 실수 벡터 공간이고, Q가 부호수가 (p,q)인 비퇴화 이차 형식이라고 하자. 이 경우, 이에 대한 클리퍼드 대수를 \operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)로 쓴다.
낮은 차원의 실수 클리퍼드 대수들은 다음과 같다.
:\operatorname{Cliff}(0,0;\mathbb R)\cong\mathbb R (실수)
:\operatorname{Cliff}(0,1;\mathbb R)\cong\mathbb C (복소수)
:\operatorname{Cliff}(1,0;\mathbb R)\cong\mathbb R\oplus\mathbb R (분할복소수)
:\operatorname{Cliff}(0,2;\mathbb R)\cong\mathbb H (사원수)
:\operatorname{Cliff}(2,0;\mathbb R)\cong\operatorname{Cliff}(1,1;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb R) (2×2 실수 행렬)
또한, 다음과 같은 주기 8의 보트 주기성이 성립한다.
:\operatorname{Cliff}(p+2,q;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb R)\otimes_{\mathbb R}\operatorname{Cliff}(q,p;\mathbb R)
:\operatorname{Cliff}(p+1,q+1;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb R)\otimes_{\mathbb R}\operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)
:\operatorname{Cliff}(p,q+2;\mathbb R)\cong\mathbb H\otimes_{\mathbb R}\operatorname{Cliff}(q,p;\mathbb R)
이에 따라, 모든 유한 차원 및 부호수에서의 실수 클리퍼드 대수를 분류할 수 있다.
즉, 실수 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)들은 다음과 같은 '''클리퍼드 시계'''(Clifford時計, 표수]]의 유한체 K=\mathbb F_q 위의 n차원 벡터 공간 위에 대각화된 비퇴화 이차 형식 Q=\operatorname{diag}(a_1,a_2,\dots,a_n)이 주어졌을 때, \delta=[(-1)^{n(n-1)/2}a_1a_2\cdots a_n]\in\mathbb F_q^\times/(\mathbb F_q^\times)^2\cong\mathbb Z/2를 정의한다. 이 경우, 클리퍼드 대수는 이차 형식의 특성에 따라 행렬 대수 또는 그 제곱의 형태로 분류될 수 있다.
클리퍼드 대수는 다음과 같이 분류된다.
| \delta | n | \operatorname{Cliff}(\mathbb F_q^n,Q;\mathbb F_q) | \operatorname{Cliff}^+(\mathbb F_q^n,Q;\mathbb F_q) | \operatorname O(V,Q;\mathbb F_q) | | 제곱수 (Q가 플러스형) | 짝수 | \operatorname{Mat}(2^{n/2};\mathbb F_q) | \operatorname{Mat}(2^{n/2-1};\mathbb F_q)^2 | \operatorname O^+(n;\mathbb F_q) |
| 제곱수 | 홀수 | \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb F_q)^2 | \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb F_q) | \operatorname O(n;\mathbb F_q) |
| 제곱수가 아님 (Q가 마이너스형) | 짝수 | \operatorname{Mat}(2^{n/2};\mathbb F_q) | \operatorname{Mat}(2^{n/2-1};\mathbb F_{q^2}) | \operatorname O^-(n;\mathbb F_q) |
| 제곱수가 아님 | 홀수 | \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb F_{q^2}) | \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb F_q) | \operatorname O(n;\mathbb F_q) |
홀수 표수 유한체 위의 양의 유한 차원 벡터 공간 위에는 정확히 두 개의 이차 형식(의 동형류)가 존재하므로, 이 경우 이차 형식은 그 클리퍼드 대수만으로 구별할 수 있다.
표수 2에서는 등급 텐서곱 \hat\otimes이 일반 텐서곱 \otimes과 같다. 표수 2의 유한체 K=\mathbb F_{2^e} 위의 2n차원 벡터 공간 위의 모든 비퇴화 이차 형식은 다음과 같은 두 2차원 이차 형식들의 직합으로 나타낼 수 있다.
:Q_1=\left(K^2,(k_1,k_2)\mapsto k_1k_2\right)
:Q_2\left(K^2,(k_1,k_2)\mapsto(k_1^2+k_1k_2+ak_2^2)\right),\qquad a\in K\setminus\{b^2+b\colon b\in K\}
이 경우 \operatorname{Cliff}(\mathbb F_{2^e}^2,Q_1) 및 \operatorname{Cliff}(\mathbb F_{2^n}^2,Q_2) 둘 다 K 위의 중심 단순 대수를 이룬다. 따라서, 2n차원 벡터 공간 위의 임의의 비퇴화 이차 형식 Q의 클리퍼드 대수는 행렬환과 동형이다.
:\operatorname{Cliff}(\mathbb F_{2^e}^{2n},Q;\mathbb F_{2^e})\cong\operatorname{Mat}(2^n;\mathbb F_{2^e})
\mathbb F_{2^e} 위의 유한 차원 벡터 공간 위의 임의의 이차 형식 Q는 비퇴화 이차 형식 Q_{\text{nondeg}}과 두 퇴화 이차 형식 가운데 하나와의 직합으로 표현할 수 있다.
:Q=Q_{\text{nondeg/Clifford clock}})로 나타낼 수 있다.
:\begin{matrix}
_{\displaystyle\mathsf8}&&^{\displaystyle\mathsf1}&&_{\displaystyle\mathsf2}\\
&_{\displaystyle\mathbb R}&^{\displaystyle\mathbb R^{\oplus2}}&_{\displaystyle\mathbb R}\\
\mathsf7\quad&\mathbb C\quad&&\quad\mathbb C&\quad\mathsf3\\
&^{\displaystyle\mathbb H}&_{\displaystyle\mathbb H^{\oplus2}}&^{\displaystyle\mathbb H}\\
^{\displaystyle\mathsf6}&&_{\displaystyle\mathsf5}&&^{\displaystyle\mathsf4}
\end{matrix}
즉, \operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)는 p-q\bmod8이 가리키는 방향에 적힌 대수 위의 행렬 대수이며, 행렬 대수의 크기는 \dim_{\mathbb R}\operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)=2^{p+q}으로부터 계산할 수 있다. 예를 들어, n\equiv3\pmod8일 때
:\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(\mathbb H;2^n/(2\dim_{\mathbb R}\mathbb H))\oplus\operatorname{Mat}(\mathbb H;2^n/(2\dim_{\mathbb R}\mathbb H))=\operatorname{Mat}(\mathbb H;2^{n-3})\oplus\operatorname{Mat}(\mathbb H;2^{n-3})
이다.
홀수
\operatorname{diag}(0,0,\dots,0,1)\\
\operatorname{diag}(0,0,\dots,0,0)
\end{cases}
\operatorname{Cliff}(\operatorname{diag}(0,0,\dots,0,0);\mathbb F_{2^e}) 및 \operatorname{Cliff}(\operatorname{diag}(0,0,\dots,0,1);\mathbb F_{2^e} 둘 다 외대수와 동형이다. 후자의 경우, 구체적으로 클리퍼드 대수
:\operatorname{Cliff}\left(\operatorname{diag}(1);K\right)=K[x]/(x^2+1)
에서 y=x+1로 놓으면 y^2=0이므로 이는 단위 결합 대수로서 외대수 \Lambda(K)=K[y]/(y^2)와 동형이다.
4. 1. 직합에 대한 분해
가환환 K 위의 두 이차 공간 (V,Q), (V',Q')이 주어졌을 때, 그 직합 (V\oplus V',Q\oplus Q') 위의 클리퍼드 대수는 \mathbb Z/2-등급 K-단위 결합 대수로서 다음과 동형이다.[14]
:\operatorname{Cliff}(V\oplus V',Q\oplus Q';K)\cong\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\hat\otimes_K\operatorname{Cliff}(V',Q';K)
따라서, 클리퍼드 대수의 분류는 직합으로 분해할 수 없는 이차 공간 위의 클리퍼드 대수의 분류로 귀결된다.
4. 2. 체 위의 클리퍼드 대수의 분류
표수가 2가 아닌 체 \(K\) 위의 \(n\)차원 벡터 공간 \(V\) 위에 비퇴화 이차 형식 \(Q\)로 정의되는 클리퍼드 대수 \(\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\)는 등급 중심 단순 대수이며, 이에 대하여 완전한 분류가 존재한다.[12]
- \(n\)이 짝수일 때: \(\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\)는 \(K\) 위의 중심 단순 대수이다.
- * \(\operatorname Z(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K))\cong K(\sqrt a)\) (\(a\in K^\times/(K^\times)^2)\)의 꼴이라면, \(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K)\)는 \(K(\sqrt a)\) 위의 중심 단순 대수이다.
- * \(\operatorname Z(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K))\cong K\times K\)의 꼴이라면, \(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K)\cong A^2\)는 \(K\) 위의 어떤 중심 단순 대수 \(A\)의 제곱과 동형이다.
- \(n\)이 홀수일 때: \(\operatorname{Cliff}^+(V,Q;K)\)는 \(K\) 위의 중심 단순 대수이다.
- * \(\operatorname Z(\operatorname{Cliff}(V,Q;K))\cong K(\sqrt a)\) (\(a\in K^\times/(K^\times)^2)\)의 꼴이라면, \(\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\)는 확대체 \(K(\sqrt a)\) 위의 중심 단순 대수이다.
- * \(\operatorname Z(\operatorname{Cliff}(V,Q;K))\cong K\times K\)의 꼴이라면, \(\operatorname{Cliff}(V,Q;K)\cong A^2\)은 \(K\) 위의 어떤 중심 단순 대수 \(A\)의 제곱과 동형이다.
아르틴-웨더번 정리에 의하여, 체 \(K\) 위의 \(2^n\)차원 중심 단순 대수는 어떤 \(K\)-중심 단순 대수인 \(2^k\)차원 나눗셈환 \(D\) 위의 행렬환 \(\operatorname{Mat}(2^{n-k};D)\)과 동형이다.
가장 중요한 클리퍼드 대수는 비퇴화 이차 형식을 갖는 실수 및 복소수 벡터 공간 상의 것이다.
4. 3. 복소수 클리퍼드 대수
K=\mathbb C가 복소수체이며, (V,Q)가 비퇴화 이차 형식이 주어진 유한 차원 복소수 벡터 공간이라고 하자. 복소수의 경우, 부호수의 개념이 존재하지 않고, 오직 n=\dim_{\mathbb C}V만 고려하면 된다. 이에 대한 클리퍼드 대수를 \operatorname{Cliff}(n;\mathbb C)로 쓰면, 이는 \mathbb C-단위 결합 대수로서 다음과 같다.
:\operatorname{Cliff}(n;\mathbb C)\cong\begin{cases}
\operatorname{Mat}(2^{n/2};\mathbb C)&2\mid n\\
\operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb C)\oplus \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb C)&2\nmid n
\end{cases}
즉, 다음과 같은 주기 2의 보트 주기성이 존재한다.
:\operatorname{Cliff}(n+2;\mathbb C)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb C)\otimes_{\mathbb C}\operatorname{Cliff}(n;\mathbb C)
특히, 낮은 차원의 경우 이는 다음과 같다.
:\operatorname{Cliff}(0;\mathbb C)\cong\mathbb C
:\operatorname{Cliff}(1;\mathbb C)\cong\mathbb C\oplus\mathbb C (테사린)
:\operatorname{Cliff}(2;\mathbb C)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb C) (2×2 복소 행렬)
복소 벡터 공간에서도 클리퍼드 대수를 생각할 수 있다. 복소 벡터 공간상의 모든 비퇴화 이차 형식은 표준 대각 형식
:Q(z) = z_1^2 + z_2^2 + \cdots + z_n^2
와 동형이다. 따라서, 각 차원 ''n''에 대해 단 하나의 비퇴화 클리퍼드 대수가 존재한다. 표준 이차 형식을 가진 '''C''' 위의 클리퍼드 대수를 ''('''C''')}}로 표기한다.
처음 몇 가지 경우의 계산은 다음과 같다.
- ('''C''') ≅ '''C'''}}: 복소수 체
- ('''C''') ≅ '''C''' ⊕ '''C'''}}: 쌍복소수 환
- ('''C''') ≅ ''M''(2, '''C''')}}: 쌍사원수/biquaternion영어 환
4. 4. 실수 클리퍼드 대수
K=\mathbb R가 실수체이며, V가 유한 차원 실수 벡터 공간이고, Q가 부호수가 (p,q)인 비퇴화 이차 형식이라고 하자. 이 경우, 이에 대한 클리퍼드 대수를 \operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)로 쓴다.
낮은 차원의 실수 클리퍼드 대수들은 다음과 같다.
:\operatorname{Cliff}(0,0;\mathbb R)\cong\mathbb R (실수)
:\operatorname{Cliff}(0,1;\mathbb R)\cong\mathbb C (복소수)
:\operatorname{Cliff}(1,0;\mathbb R)\cong\mathbb R\oplus\mathbb R (분할복소수)
:\operatorname{Cliff}(0,2;\mathbb R)\cong\mathbb H (사원수)
:\operatorname{Cliff}(2,0;\mathbb R)\cong\operatorname{Cliff}(1,1;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb R) (2×2 실수 행렬)
또한, 다음과 같은 주기 8의 보트 주기성이 성립한다.
:\operatorname{Cliff}(p+2,q;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb R)\otimes_{\mathbb R}\operatorname{Cliff}(q,p;\mathbb R)
:\operatorname{Cliff}(p+1,q+1;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb R)\otimes_{\mathbb R}\operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)
:\operatorname{Cliff}(p,q+2;\mathbb R)\cong\mathbb H\otimes_{\mathbb R}\operatorname{Cliff}(q,p;\mathbb R)
이에 따라, 모든 유한 차원 및 부호수에서의 실수 클리퍼드 대수를 분류할 수 있다.
즉, 실수 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)들은 다음과 같은 '''클리퍼드 시계'''(Clifford時計, 1=''n'' = ''p'' + ''q''/Clifford clock}})로 나타낼 수 있다.
:\begin{matrix}
_{\displaystyle\mathsf8}&&^{\displaystyle\mathsf1}&&_{\displaystyle\mathsf2}\\
&_{\displaystyle\mathbb R}&^{\displaystyle\mathbb R^{\oplus2}}&_{\displaystyle\mathbb R}\\
\mathsf7\quad&\mathbb C\quad&&\quad\mathbb C&\quad\mathsf3\\
&^{\displaystyle\mathbb H}&_{\displaystyle\mathbb H^{\oplus2}}&^{\displaystyle\mathbb H}\\
^{\displaystyle\mathsf6}&&_{\displaystyle\mathsf5}&&^{\displaystyle\mathsf4}
\end{matrix}
즉, \operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)는 p-q\bmod8이 가리키는 방향에 적힌 대수 위의 행렬 대수이며, 행렬 대수의 크기는 \dim_{\mathbb R}\operatorname{Cliff}(p,q;\mathbb R)=2^{p+q}으로부터 계산할 수 있다. 예를 들어, n\equiv3\pmod8일 때
:\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(\mathbb H;2^n/(2\dim_{\mathbb R}\mathbb H))\oplus\operatorname{Mat}(\mathbb H;2^n/(2\dim_{\mathbb R}\mathbb H))=\operatorname{Mat}(\mathbb H;2^{n-3})\oplus\operatorname{Mat}(\mathbb H;2^{n-3})
이다.
유한 차원 실수 벡터 공간에 대한 모든 비퇴화 이차 형식은 다음과 같은 표준 대각 형식과 동등하다.
Q(v) = v_1^2 + \dots + v_p^2 - v_{p+1}^2 - \dots - v_{p+q}^2 ,
여기서 는 이차 형식의 부호수라고 한다. 이 이차 형식을 갖는 실수 벡터 공간은 종종 로 표시된다. }}에 대한 클리포드 대수는 ('''R''')}}로 표시된다.
에 대한 표준 기저 }}는 서로 직교하는 벡터로 구성되며, 이 중 개는 로 제곱되고 개는 로 제곱된다. 이러한 기저의 경우, 대수 ('''R''')}}는 로 제곱되는 개의 벡터와 로 제곱되는 개의 벡터를 갖는다.
몇 가지 저차원 사례는 다음과 같다.
- ('''R''')}}는 0이 아닌 벡터가 없으므로 자연스럽게 와 동형이다.
- ('''R''')}}은 에 의해 생성되는 2차원 대수이며 로 제곱되고, 복소수의 체 와 대수적으로 동형이다.
- ('''R''')}}는 }}에 의해 span되는 4차원 대수이다. 마지막 세 요소는 모두 로 제곱되고 반가환하므로 대수는 사원수 와 동형이다.
- ('''R''')}}는 직합 인 분할된 이중 사원수와 동형인 8차원 대수이다.
핀 그룹 는 }}에서 단위 벡터의 곱으로 표현될 수 있는 가역적인 원소들의 집합이다.
\mathrm{Pin}_{p,q} = \left\{v_1v_2 \cdots v_r \mid \forall i\, \|v_i\| = \pm 1\right\}.
스핀 그룹은 짝수 개의 단위 벡터의 곱으로 이루어진 의 원소들로 구성된다.
을 순수 벡터에 작용하는 매핑 로 주어지는 자기 동형 사상이라고 하자. 그러면 특히 는 에 의해 고정된 의 부분 그룹이다. 다음을 정의하자.
\operatorname{Cl}_{p,q}^{[0]} = \{ x\in \operatorname{Cl}_{p,q} \mid \alpha(x) = x\}.
(이들은 }}에서 짝수 차수의 원소들이다.) 그러면 스핀 그룹은 }}.에 속한다.
}}의 기약 표현은 핀 그룹의 표현을 제한하여 제공한다. 반대로, 핀 그룹은 단위 벡터에 의해 생성되므로, 모든 기약 표현은 이러한 방식으로 유도된다. 따라서 두 표현은 일치한다. 같은 이유로, 스핀의 기약 표현은 }}.의 기약 표현과 일치한다.
핀 표현을 분류하려면 클리포드 대수의 분류를 참조해야 한다. 스핀 표현 (짝수 부분 대수의 표현)을 찾기 위해 먼저 다음 동형 사상 중 하나를 사용할 수 있다(위 참조).
\operatorname{Cl}^{[0]}_{p,q} \approx \operatorname{Cl}_{p,q-1}, \text{ for } q > 0
\operatorname{Cl}^{[0]}_{p,q} \approx \operatorname{Cl}_{q,p-1}, \text{ for } p > 0
그리고 시그니처 에서 스핀 표현을 시그니처 또는 에서 핀 표현으로 실현한다.
4. 5. 홀수 표수의 유한체
홀수 표수의 유한체 K=\mathbb F_q 위의 n차원 벡터 공간 위에 대각화된 비퇴화 이차 형식 Q=\operatorname{diag}(a_1,a_2,\dots,a_n)이 주어졌을 때, \delta=[(-1)^{n(n-1)/2}a_1a_2\cdots a_n]\in\mathbb F_q^\times/(\mathbb F_q^\times)^2\cong\mathbb Z/2를 정의한다. 이 경우, 클리퍼드 대수는 이차 형식의 특성에 따라 행렬 대수 또는 그 제곱의 형태로 분류될 수 있다.
클리퍼드 대수는 다음과 같이 분류된다.
| \delta | n | \operatorname{Cliff}(\mathbb F_q^n,Q;\mathbb F_q) | \operatorname{Cliff}^+(\mathbb F_q^n,Q;\mathbb F_q) | \operatorname O(V,Q;\mathbb F_q) | | 제곱수 (Q가 플러스형) | 짝수 | \operatorname{Mat}(2^{n/2};\mathbb F_q) | \operatorname{Mat}(2^{n/2-1};\mathbb F_q)^2 | \operatorname O^+(n;\mathbb F_q) |
| 제곱수 | 홀수 | \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb F_q)^2 | \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb F_q) | \operatorname O(n;\mathbb F_q) |
| 제곱수가 아님 (Q가 마이너스형) | 짝수 | \operatorname{Mat}(2^{n/2};\mathbb F_q) | \operatorname{Mat}(2^{n/2-1};\mathbb F_{q^2}) | \operatorname O^-(n;\mathbb F_q) |
| 제곱수가 아님 | 홀수 | \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb F_{q^2}) | \operatorname{Mat}(2^{(n-1)/2};\mathbb F_q) | \operatorname O(n;\mathbb F_q) |
홀수 표수 유한체 위의 양의 유한 차원 벡터 공간 위에는 정확히 두 개의 이차 형식(의 동형류)가 존재하므로, 이 경우 이차 형식은 그 클리퍼드 대수만으로 구별할 수 있다.
4. 6. 표수 2의 유한체
표수 2에서는 등급 텐서곱 \hat\otimes이 일반 텐서곱 \otimes과 같다. 표수 2의 유한체 K=\mathbb F_{2^e} 위의 2n차원 벡터 공간 위의 모든 비퇴화 이차 형식은 다음과 같은 두 2차원 이차 형식들의 직합으로 나타낼 수 있다.
:Q_1=\left(K^2,(k_1,k_2)\mapsto k_1k_2\right)
:Q_2\left(K^2,(k_1,k_2)\mapsto(k_1^2+k_1k_2+ak_2^2)\right),\qquad a\in K\setminus\{b^2+b\colon b\in K\}
이 경우 \operatorname{Cliff}(\mathbb F_{2^e}^2,Q_1) 및 \operatorname{Cliff}(\mathbb F_{2^n}^2,Q_2) 둘 다 K 위의 중심 단순 대수를 이룬다. 따라서, 2n차원 벡터 공간 위의 임의의 비퇴화 이차 형식 Q의 클리퍼드 대수는 행렬환과 동형이다.
:\operatorname{Cliff}(\mathbb F_{2^e}^{2n},Q;\mathbb F_{2^e})\cong\operatorname{Mat}(2^n;\mathbb F_{2^e})
\mathbb F_{2^e} 위의 유한 차원 벡터 공간 위의 임의의 이차 형식 Q는 비퇴화 이차 형식 Q_{\text{nondeg}}과 두 퇴화 이차 형식 가운데 하나와의 직합으로 표현할 수 있다.
:Q=Q_{\text{nondeg}}\oplus\begin{cases}
\operatorname{diag}(0,0,\dots,0,1)\\
\operatorname{diag}(0,0,\dots,0,0)
\end{cases}
\operatorname{Cliff}(\operatorname{diag}(0,0,\dots,0,0);\mathbb F_{2^e}) 및 \operatorname{Cliff}(\operatorname{diag}(0,0,\dots,0,1);\mathbb F_{2^e} 둘 다 외대수와 동형이다. 후자의 경우, 구체적으로 클리퍼드 대수
:\operatorname{Cliff}\left(\operatorname{diag}(1);K\right)=K[x]/(x^2+1)
에서 y=x+1로 놓으면 y^2=0이므로 이는 단위 결합 대수로서 외대수 \Lambda(K)=K[y]/(y^2)와 동형이다.
5. 예
가환환 K 위의 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(V,Q;K)는 특수한 경우 다음과 같다.
- 만약 Q=0이라면 \operatorname{Cliff}(V,0;K)=\Lambda(V;K)는 외대수이다.
- 만약 V=0이 자명 가군이며, Q=0이 그 위의 유일한 이차 형식이라면, \operatorname{Cliff}(0,0;K)\cong K이다.
벡터 공간 를 실수 3차원 공간 로 하고, 이차 형식은 일반적인 이차 형식으로 한다. 그러면 가 에 있을 때 쌍선형 형식(또는 스칼라 곱)은 다음과 같다.
v \cdot w = v_1 w_1 + v_2 w_2 + v_3 w_3.
이제 다음과 같이 주어진 벡터 와 의 클리포드 곱을 도입한다.
v w + w v = 2 (v \cdot w) .
의 직교 단위 벡터 집합을 }}로 표시하면 클리포드 곱은 다음 관계를 생성한다.
e_2 e_3 = -e_3 e_2, \,\,\, e_1 e_3 = -e_3 e_1,\,\,\, e_1 e_2 = -e_2 e_1,
그리고
e_1 ^2 = e_2^2 = e_3^2 = 1.
클리포드 대수 ('''R''')}}의 일반적인 요소는 다음과 같다.
A = a_0 + a_1 e_1 + a_2 e_2 + a_3 e_3 + a_4 e_2 e_3 + a_5 e_1 e_3 + a_6 e_1 e_2 + a_7 e_1 e_2 e_3.
('''R''')}}의 짝수 차수 요소의 선형 결합은 일반적인 요소로 짝수 부분 대수 ('''R''')}}를 정의한다.
q = q_0 + q_1 e_2 e_3 + q_2 e_1 e_3 + q_3 e_1 e_2.
기저 요소는 사원수 기저 요소 로 식별될 수 있다.
i= e_2 e_3, j = e_1 e_3, k = e_1 e_2,
이것은 짝수 부분 대수 ('''R''')}}가 해밀턴의 실수 사원수 대수임을 보여준다.
이것을 확인하려면, 다음을 계산한다.
i^2 = (e_2 e_3)^2 = e_2 e_3 e_2 e_3 = - e_2 e_2 e_3 e_3 = -1,
그리고
ij = e_2 e_3 e_1 e_3 = -e_2 e_3 e_3 e_1 = -e_2 e_1 = e_1 e_2 = k.
마지막으로,
ijk = e_2 e_3 e_1 e_3 e_1 e_2 = -1.
벡터 공간 를 실수 4차원 공간 로 하고, 이차 형식 를 의 유클리드 메트릭에서 파생된 퇴화 형식으로 하자. 가 에 있을 때 퇴화 쌍선형 형식
d(v, w) = v_1 w_1 + v_2 w_2 + v_3 w_3 .
을 도입한다.
이 퇴화 스칼라 곱은 의 거리 측정을 초평면으로 투영한다.
벡터 와 의 클리포드 곱은 다음과 같다.
v w + w v = -2 \,d(v, w).
쿼터니언과의 대응을 단순화하기 위해 음수 부호가 도입되었음에 유의하라.
의 상호 직교 단위 벡터 집합을 }}로 표기하면, 클리포드 곱은 다음 관계를 생성한다.
e_m e_n = -e_n e_m, \,\,\, m \ne n,
그리고
e_1 ^2 = e_2^2 = e_3^2 = -1, \,\, e_4^2 = 0.
클리포드 대수 , ''d'')}}의 일반적인 원소는 16개의 성분을 갖는다. 짝수 차수 원소의 선형 결합은 일반 원소를 갖는 짝수 부분 대수 ('''R'''4, ''d'')}}를 정의한다.
H = h_0 + h_1 e_2 e_3 + h_2 e_3 e_1 + h_3 e_1 e_2 + h_4 e_4 e_1 + h_5 e_4 e_2 + h_6 e_4 e_3 + h_7 e_1 e_2 e_3 e_4.
기저 원소는 쿼터니언 기저 원소 및 듀얼 단위 로 식별될 수 있다.
i = e_2 e_3, j = e_3 e_1, k = e_1 e_2, \,\, \varepsilon = e_1 e_2 e_3 e_4.
이는 ('''R''')}}과 듀얼 쿼터니언 대수의 대응을 제공한다.
이것을 확인하려면 다음을 계산한다.
\varepsilon ^2 = (e_1 e_2 e_3 e_4)^2 = e_1 e_2 e_3 e_4 e_1 e_2 e_3 e_4 = -e_1 e_2 e_3 (e_4 e_4 ) e_1 e_2 e_3 = 0 ,
그리고
\varepsilon i = (e_1 e_2 e_3 e_4) e_2 e_3 = e_1 e_2 e_3 e_4 e_2 e_3 = e_2 e_3 (e_1 e_2 e_3 e_4) = i\varepsilon.
과 의 교환은 짝수 번 부호를 번갈아 바꾸며, 듀얼 단위 가 쿼터니언 기저 원소 와 교환됨을 보여준다.
2/K}}는 표수가 {{math영어가 아닌 임의의 체라고 하자.
벡터 공간 를 실수 3차원 공간 '''R'''로 하고, 이차 형식 를 통상의 유클리드 계량에서 가져온다. 그러면, 이차 형식 또는 스칼라 곱은 }}에 대해
: \mathbf{v}\cdot\mathbf{w}= v_1w_1 + v_2w_2 + v_3w_3.
이 된다. 이제 다음 식으로 주어지는 벡터 '''v''' 와 '''w''' 의 클리포드 곱을 도입한다.
: \mathbf{v}\mathbf{w} + \mathbf{w}\mathbf{v} = -2 (\mathbf{v}\cdot \mathbf{w}).\!
이 공식화는 음의 부호를 사용하여 사원수와의 대응을 쉽게 보여준다.
'''R''' 의 직교 단위 벡터의 집합을 '''e''', '''e''', '''e''' 로 표기하면, 클리포드 곱은 관계
: \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 = -\mathbf{e}_3 \mathbf{e}_2, \,\,\, \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_1 = -\mathbf{e}_1 \mathbf{e}_3,\,\,\, \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 = -\mathbf{e}_2 \mathbf{e}_1,\!
및
: \mathbf{e}_1 ^2 = \mathbf{e}_2^2 =\mathbf{e}_3^2 = -1 \!
을 생성한다. 클리포드 대수 ('''R''')}} 의 일반적인 원소는
: A = a_0 + a_1 \mathbf{e}_1 + a_2 \mathbf{e}_2 + a_3 \mathbf{e}_3 + a_4 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 + a_5 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_1 + a_6 \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 + a_7 \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3\!
에 의해 주어진다.
('''R''')}} 의 짝수 차원 원소의 선형 결합은 일반 원소
: Q = q_0 + q_1 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 + q_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_1 + q_3 \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 \!
과 함께 ('''R''')}} 의 짝수 부분 대수를 정의한다. 기저 원소는 사원수 기저 원소 와
: i= \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3, j= \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_1, k = \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2
로 동일시할 수 있으며, 이는 짝수 부분 대수 ('''R''')}} 가 해밀턴의 실수 사원수 대수임을 나타낸다.
이것을 보려면,
: i^2 = (\mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3)^2 = \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 = - \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_3 = -1,\!
과
: ij = \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_1 = -\mathbf{e}_2 \mathbf{e}_1 = \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 = k\!
를 계산한다. 마지막으로,
: ijk = \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 = -1.\!
벡터 공간 를 실 4차원 공간 '''R'''로 하고, 이차 형식 를 '''R''' 상의 유클리드 거리에서 들어오는 퇴화 형식으로 한다. '''v''', '''w''' ∈ '''R'''에 대해, 퇴화 쌍선형 형식
: d(\mathbf{v}, \mathbf{w})= v_1w_1 + v_2w_2 + v_3w_3.
를 도입한다. 이 퇴화 스칼라 곱은 '''R'''에서의 거리 측정을 '''R'''의 초평면에 전사적으로 사영한다.
벡터 '''v'''와 '''w'''의 클리퍼드 곱은
: \mathbf{v}\mathbf{w} + \mathbf{w}\mathbf{v} = -2 \,d(\mathbf{v}, \mathbf{w})\!
로 주어진다. 음수는 사원수와의 대응을 간단하게 하기 위해 도입되었다는 점에 유의하자.
'''R'''의 직교 단위 벡터 집합을 '''e''', '''e''', '''e''', '''e'''로 표기하면, 클리퍼드 곱은 관계
: \mathbf{e}_m \mathbf{e}_n = -\mathbf{e}_n \mathbf{e}_m, \,\,\, m \ne n,\!
와
: \mathbf{e}_1 ^2 = \mathbf{e}_2^2 =\mathbf{e}_3^2 = -1, \,\, \mathbf{e}_4^2 =0\!
을 생성한다.
클리퍼드 대수 ,''d'')}}의 일반 원소는 16개의 성분을 가진다. 짝수 차수로 정렬된 원소의 선형 결합은 다음 형태의 일반 원소를 가진 짝수 부분 대수 ('''R''',''d'')}}을 정의한다
: H = h_0 + h_1 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 + h_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_1 + h_3 \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 + h_4 \mathbf{e}_4 \mathbf{e}_1 + h_5 \mathbf{e}_4 \mathbf{e}_2 + h_6 \mathbf{e}_4 \mathbf{e}_3 + h_7 \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2\mathbf{e}_3 \mathbf{e}_4. \!
기저 원소는 사원수 기저 원소 와 쌍대 단위 와
: i=\mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3, j=\mathbf{e}_3 \mathbf{e}_1, k = \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2, \,\, \varepsilon = \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2\mathbf{e}_3 \mathbf{e}_4 \!
로 동일시할 수 있다. 이것은 ('''R''')}}의 쌍대 사원수 대수와의 대응을 제공한다.
이를 확인하기 위해, 다음 식을 계산한다.
: \varepsilon ^2 = (\mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_4)^2 = \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2\mathbf{e}_3 \mathbf{e}_4 \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_4 = -\mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2\mathbf{e}_3 (\mathbf{e}_4 \mathbf{e}_4 ) \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2\mathbf{e}_3 = 0,\!
와
: \varepsilon i = (\mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_4) \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 = \mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_4 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 = \mathbf{e}_2\mathbf{e}_3 (\mathbf{e}_1 \mathbf{e}_2 \mathbf{e}_3 \mathbf{e}_4) = i\varepsilon.\!
'''e'''과 '''e'''의 교환은 짝수 번 부호를 교대시키고, 쌍대 단위 가 사원수 기저 원소 와 교환함을 나타낸다.
5. 1. 1차원 자유 가군 위의 클리퍼드 대수
V=K가 1차원 자유 가군이며, Q\colon k\mapsto ak^2라면, \operatorname{Cliff}(K,Q;K)\cong K[x]/(x^2-a)이다. 따라서, 이 경우는 a=Q(1)의 동치류 [a]\in K/K^2에 의하여 분류된다.
만약 추가로 K가 표수가 2가 아닌 대수적으로 닫힌 체라면,
:K[x]/(x^2-a)\cong\begin{cases}K\oplus K&a\ne0\\\Lambda(K)&a=0\end{cases}
이다. 구체적으로, a\ne0일 경우
:y_\pm=\frac12(1\pm x/\sqrt a)
를 정의한다면,
:y_\pm^2=y_\pm
이므로 K[x]/(x^2-a)\cong Ky_+\oplus Ky_-가 된다.
K영어는 표수가 2가 아닌 임의의 체라고 하자. 만약 \dim V = 1이고, Q가 대각화 \operatorname{diag}(a)를 가진다면, 즉 Q(x) = a를 만족하는 영벡터가 아닌 x가 존재한다면, \operatorname{Cl}(V, Q)는 x^2 = a를 만족하는 원소 x에 의해 생성되는 K영어-대수, 즉 이차 대수 K[X]/(X^2 - a)와 대수적으로 동형이다.
특히, 만약 a = 0 (즉, Q가 영 이차 형식)이면, \operatorname{Cl}(V, Q)는 K영어 위의 쌍대수와 대수적으로 동형이다.
만약 a가 K영어에서 0이 아닌 제곱수라면, \operatorname{Cl}(V, Q) \simeq K \oplus K이다. 그렇지 않다면, \operatorname{Cl}(V, Q)는 K영어의 이차 체 확장 K(\sqrt a)와 동형이다.
5. 2. 2차원 자유 가군 위의 클리퍼드 대수
체 K 위의 2차원 벡터 공간 위의 비퇴화 이차 형식에 의하여 정의되는 클리퍼드 대수는 사원수형 대수(quaternion algebra영어, algèbre de quaternions프랑스어)라고 한다.
체 위의 사원수형 대수는 환으로서 항상 나눗셈환을 이루거나 또는 2×2 K 위의 행렬환 \operatorname{Mat}(2;K)과 동형이다. 후자의 경우, '''분할 사원수형 대수'''(split quaternion algebra영어, algèbre de quaternions déployée프랑스어)라고 한다.
K가 표수가 2가 아닌 체일 경우, 그 위의 사원수형 대수는 다음과 같이 표기한다.
:\left(\frac{a,b}K\right)=\operatorname{Cliff}\left(\operatorname{Span}_K\{i,j\},\operatorname{diag}(a,b);K\right)
=\frac{K\langle i,j\rangle}{(i^2-a,j^2-b,ij+ji)}\qquad(\deg i=\deg j=1)
보통 (사원수와 마찬가지로) ij=-ji=k로 표기한다.
K가 표수가 2가 아닌 체일 경우, 다음 두 조건이 서로 동치이다.
- (\tfrac{a,b}K)가 분할 사원수형 대수이다.
- 힐베르트 기호 (a,b)_K=1이다. 즉, z^2=ax^2+by^2의 해가 K에서 존재한다.
사원수의 환 \mathbb H는 실수체 위의 사원수형 대수 (\tfrac{-1,-1}K)이다.
만약 V가 0이 아닌 a와 b를 갖는 대각화 \operatorname{diag}(a,b)를 가지는 이차형식Q가 주어지고, \dim V = 2이면, Cl(V,Q)는 x와 y를 원소로 가지고 x^2=a, y^2=b, 그리고 xy=-yx를 만족하는 K-대수와 동형이다. 따라서, Cl(V,Q)는 (일반화된) 사원수 대수와 동형이다.
6. 클리퍼드 해석학
복소해석학의 여러 성질들을 클리퍼드 대수 값을 갖는 함수에 대하여 일반화할 수 있다.[15][16][17]
==== 디랙 연산자 ====
유클리드 공간 \mathbb R^n 속의 열린집합 U\subseteq\mathbb R^n 위의 \mathcal C^1 함수
:f\colon U\to\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R)에 대하여 디랙 연산자
:D=\sum_{i=1}^ne_i\frac\partial{\partial x_i}
를 정의할 수 있다 (e_i는 \mathbb R^n의 정규 직교 기저).
디랙 연산자의 제곱은
:D^2=\sum_{i,j=1}^ne_ie_j\frac{\partial^2}{\partial x_i\partial x_j}
=-\sum_{i=1}^n\frac{\partial^2}{\partial x_i^2}=-\nabla^2
이므로, iD는 라플라스 연산자 \nabla^2의 제곱근이다.
==== 코시 적분 공식 ====
클리퍼드 대수 값의 함수에 대하여 일종의 코시의 적분 정리가 성립한다. 즉, 두 열린집합 V\subseteq \operatorname{cl}(V)\subseteq U\subseteq\mathbb R^n가 주어졌으며 (\operatorname{cl}(V)는 위상수학적 폐포), V는 유계 집합이자 단일 연결 공간이며, 경계 \partial V가 조각별 \mathcal C^1 미분 가능 다양체를 이루며, f,g\colon U\to\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R)는 \mathcal C^1 함수이며, f는 왼쪽 정칙 함수이며 g는 오른쪽 정칙 함수라고 하자. 그렇다면, 다음이 성립한다.
:0=\oint_{\partial V}g(x)\hat n_{\partial V}(x)f(x)\;\mathrm d\!x^{n-1}
여기서
- \hat n_{\partial V}\colon\partial V\to\mathbb R^n\subset\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R)는 \partial V 위의 바깥 방향 수직 단위 벡터이며,
- \mathrm d\!x^{n-1}는 \partial V 위의 르베그 측도이다.
또한, 다음이 성립한다.
:f(x_0)=\frac1{\operatorname{vol}(\mathbb S^{n-1})}\oint_{\partial V}\frac{(x-x_0)\hat n_{\partial V}(x)f(x)}{\|x-x_0\|^n}\;\mathrm d\!x^{n-1}
:g(x_0)=\frac1{\operatorname{vol}(\mathbb S^{n-1})}\oint_{\partial V}\frac{g(x)\hat n_{\partial V}(x)(x-x_0)}{\|x-x_0\|^n}\;\mathrm d\!x^{n-1}
여기서
:\operatorname{vol}(\mathbb S^{n-1})=\frac{2\pi^{n/2}}{\Gamma(n/2)}
는 n-1차원 단위 초구의 넓이이다.
==== 등각 변환 ====
리만 구 \hat{\mathbb C} 위의 등각 변환은 복소수 계수의 뫼비우스 변환으로 나타낼 수 있다. 마찬가지로, \mathbb S^n=\widehat{\mathbb R^n} 위의 등각 변환은 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R) 계수의 뫼비우스 변환으로 나타내어진다.[24] 이 경우, 2×2 행렬
:\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}
를 등각 변환의 '''알포르스-팔렌 행렬'''(Ahlfors–Vahlen matrix영어)이라고 한다. 2×2 행렬
:M=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\in\operatorname{Mat}(2;\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R))에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이다.[24]
- M은 알포르스-팔렌 행렬이다. 즉, \widehat{\mathbb R^n} 위의 등각 변환을 정의한다.
- ac^\top,bd^\top\in\mathbb R^n이며, ad^\top-bc^\top\in\mathbb R\setminus\{0\}이다.
특히, 이 경우 뫼비우스 변환의 역원은 다음과 같다.[24]
:\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}^{-1}=\begin{pmatrix}d^\top&-b^\top\\-c^\top&a^\top\end{pmatrix}
6. 1. 디랙 연산자
유클리드 공간 \mathbb R^n 속의 열린집합 U\subseteq\mathbb R^n 위의 \mathcal C^1 함수
:f\colon U\to\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R)에 대하여 디랙 연산자
:D=\sum_{i=1}^ne_i\frac\partial{\partial x_i}
를 정의할 수 있다 (e_i는 \mathbb R^n의 정규 직교 기저).
디랙 연산자의 제곱은
:D^2=\sum_{i,j=1}^ne_ie_j\frac{\partial^2}{\partial x_i\partial x_j}
=-\sum_{i=1}^n\frac{\partial^2}{\partial x_i^2}=-\nabla^2
이므로, iD는 라플라스 연산자 \nabla^2의 제곱근이다.
6. 2. 코시 적분 공식
클리퍼드 대수 값의 함수에 대하여 일종의 코시의 적분 정리가 성립한다. 즉, 두 열린집합 V\subseteq \operatorname{cl}(V)\subseteq U\subseteq\mathbb R^n가 주어졌으며 (\operatorname{cl}(V)는 위상수학적 폐포), V는 유계 집합이자 단일 연결 공간이며, 경계 \partial V가 조각별 \mathcal C^1 미분 가능 다양체를 이루며, f,g\colon U\to\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R)는 \mathcal C^1 함수이며, f는 왼쪽 정칙 함수이며 g는 오른쪽 정칙 함수라고 하자. 그렇다면, 다음이 성립한다.
:0=\oint_{\partial V}g(x)\hat n_{\partial V}(x)f(x)\;\mathrm d\!x^{n-1}
여기서
- \hat n_{\partial V}\colon\partial V\to\mathbb R^n\subset\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R)는 \partial V 위의 바깥 방향 수직 단위 벡터이며,
- \mathrm d\!x^{n-1}는 \partial V 위의 르베그 측도이다.
또한, 다음이 성립한다.
:f(x_0)=\frac1{\operatorname{vol}(\mathbb S^{n-1})}\oint_{\partial V}\frac{(x-x_0)\hat n_{\partial V}(x)f(x)}{\|x-x_0\|^n}\;\mathrm d\!x^{n-1}
:g(x_0)=\frac1{\operatorname{vol}(\mathbb S^{n-1})}\oint_{\partial V}\frac{g(x)\hat n_{\partial V}(x)(x-x_0)}{\|x-x_0\|^n}\;\mathrm d\!x^{n-1}
여기서
:\operatorname{vol}(\mathbb S^{n-1})=\frac{2\pi^{n/2}}{\Gamma(n/2)}
는 n-1차원 단위 초구의 넓이이다.
6. 3. 등각 변환
리만 구 \hat{\mathbb C} 위의 등각 변환은 복소수 계수의 뫼비우스 변환으로 나타낼 수 있다. 마찬가지로, \mathbb S^n=\widehat{\mathbb R^n} 위의 등각 변환은 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R) 계수의 뫼비우스 변환으로 나타내어진다.[24] 이 경우, 2×2 행렬
:\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}
를 등각 변환의 '''알포르스-팔렌 행렬'''(Ahlfors–Vahlen matrix영어)이라고 한다. 2×2 행렬
:M=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\in\operatorname{Mat}(2;\operatorname{Cliff}(0,n;\mathbb R))에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이다.[24]
- M은 알포르스-팔렌 행렬이다. 즉, \widehat{\mathbb R^n} 위의 등각 변환을 정의한다.
- ac^\top,bd^\top\in\mathbb R^n이며, ad^\top-bc^\top\in\mathbb R\setminus\{0\}이다.
특히, 이 경우 뫼비우스 변환의 역원은 다음과 같다.[24]
:\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}^{-1}=\begin{pmatrix}d^\top&-b^\top\\-c^\top&a^\top\end{pmatrix}
7. 응용
외적 대수의 주요한 응용 중 하나는 미분기하학에 있으며, 여기서는 매끄러운 다양체 위의 미분 형식의 파이버 다발을 정의하는 데 사용된다. (유사 )리만 다양체의 경우, 접 공간은 계량에 의해 유도되는 자연스러운 이차 형식을 가진다. 따라서, 과의 유추로 을 정의할 수 있다. 이는 리만 기하학에서 많은 중요한 응용을 가진다. 아마도 더 중요한 것은 스핀 다양체, 그에 부속하는 그리고 }} 다양체로의 연결일 것이다.
==== K이론 ====
위상 K이론은 클리퍼드 대수와 깊은 관련이 있다.[27] 구체적으로, KO-이론의 주기 8의 보트 주기성은 실수 클리퍼드 대수의 주기 8의 보트 주기성과 관련되고, 마찬가지로 KU-이론의 주기 2의 보트 주기성은 복소수 클리퍼드 대수의 주기 2의 보트 주기성과 관련된다.[27]
==== 물리학 ====
양자장론에서, 4차원 디랙 스피너를 다룰 때 등장하는 디랙 행렬 \gamma^\mu (\mu=0,1,2,3)들의 곱은 복소수 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(4;\mathbb C)\cong\operatorname{Mat}(4;\mathbb C)를 생성한다.[6][7][8] 3차원 스피너를 다룰 때 등장하는 파울리 행렬 \sigma^1,\sigma^2,\sigma^3들은 \{\sigma^i,\sigma^j\}=2\delta^{ij}\sigma^i를 만족시키며, 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(3,0;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb C)를 이룬다. 스피너의 벡터 공간은 이와 같은 클리퍼드 대수 위의 가군을 이룬다.
물리학자들은 일반적으로 클리퍼드 대수를 디랙 행렬이라고 불리는 행렬에 의해 생성되는 기저를 가진 대수로 간주하며, 이들은 다음과 같은 속성을 가진다.[6]
:\gamma_i\gamma_j + \gamma_j\gamma_i = 2\eta_{ij} ,
여기서 는 의 부호(또는 계량 부호의 두 가지 동등한 선택에 해당하는 )를 가진 이차 형식의 행렬이다. 이것들은 정확히 클리퍼드 대수 ('''R''')}}의 정의 관계이며, 그 복소화는 ('''R''')'''C'''}}이며, 이는 클리퍼드 대수의 분류에 의해 복소 행렬 ('''C''') ≈ M4('''C''')}}의 대수와 동형이다.
폴 디랙이 전자에 대한 상대론적 1차 파동 방정식을 쓰려고 할 때 처음 작성한 디랙 행렬은 클리퍼드 대수에서 복소 행렬의 대수로의 명시적인 동형 사상을 제공한다. 그 결과는 디랙 방정식을 정의하고 디랙 연산자를 도입하는 데 사용되었다. 전체 클리퍼드 대수는 양자장론에서 디랙 장 양선형의 형태로 나타난다.
==== 컴퓨터 비전 ====
클리퍼드 대수는 컴퓨터 비전 분야의 동작 인식 및 분류 문제에 적용되어 왔다.[9] 로드리게스 등은 비디오(3차원 시공간 볼륨) 및 옵티컬 플로우와 같은 벡터 값 데이터를 일반화하기 위해 클리퍼드 임베딩을 제안했다.[9] 벡터 값 데이터는 클리퍼드 푸리에 변환을 사용하여 분석된다.[9] 이러한 벡터를 기반으로 동작 필터가 클리퍼드 푸리에 도메인에서 합성되며, 클리퍼드 상관 관계를 사용하여 동작 인식이 수행된다.[9] 저자들은 고전 영화 및 스포츠 방송 텔레비전에서 일반적으로 수행되는 동작을 인식함으로써 클리퍼드 임베딩의 효과를 입증했다.[9]
7. 1. K이론
위상 K이론은 클리퍼드 대수와 깊은 관련이 있다.[27] 구체적으로, KO-이론의 주기 8의 보트 주기성은 실수 클리퍼드 대수의 주기 8의 보트 주기성과 관련되고, 마찬가지로 KU-이론의 주기 2의 보트 주기성은 복소수 클리퍼드 대수의 주기 2의 보트 주기성과 관련된다.[27]
7. 2. 물리학
양자장론에서, 4차원 디랙 스피너를 다룰 때 등장하는 디랙 행렬 \gamma^\mu (\mu=0,1,2,3)들의 곱은 복소수 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(4;\mathbb C)\cong\operatorname{Mat}(4;\mathbb C)를 생성한다.[6][7][8] 3차원 스피너를 다룰 때 등장하는 파울리 행렬 \sigma^1,\sigma^2,\sigma^3들은 \{\sigma^i,\sigma^j\}=2\delta^{ij}\sigma^i를 만족시키며, 클리퍼드 대수 \operatorname{Cliff}(3,0;\mathbb R)\cong\operatorname{Mat}(2;\mathbb C)를 이룬다. 스피너의 벡터 공간은 이와 같은 클리퍼드 대수 위의 가군을 이룬다.
물리학자들은 일반적으로 클리퍼드 대수를 디랙 행렬이라고 불리는 행렬에 의해 생성되는 기저를 가진 대수로 간주하며, 이들은 다음과 같은 속성을 가진다.[6]
:\gamma_i\gamma_j + \gamma_j\gamma_i = 2\eta_{ij} ,
여기서 는 의 부호(또는 계량 부호의 두 가지 동등한 선택에 해당하는 )를 가진 이차 형식의 행렬이다. 이것들은 정확히 클리퍼드 대수 ('''R''')}}의 정의 관계이며, 그 복소화는 ('''R''')'''C'''}}이며, 이는 클리퍼드 대수의 분류에 의해 복소 행렬 ('''C''') ≈ M4('''C''')}}의 대수와 동형이다.
폴 디랙이 전자에 대한 상대론적 1차 파동 방정식을 쓰려고 할 때 처음 작성한 디랙 행렬은 클리퍼드 대수에서 복소 행렬의 대수로의 명시적인 동형 사상을 제공한다. 그 결과는 디랙 방정식을 정의하고 디랙 연산자를 도입하는 데 사용되었다. 전체 클리퍼드 대수는 양자장론에서 디랙 장 양선형의 형태로 나타난다.
7. 3. 컴퓨터 비전
클리퍼드 대수는 컴퓨터 비전 분야의 동작 인식 및 분류 문제에 적용되어 왔다.[9] 로드리게스 등은 비디오(3차원 시공간 볼륨) 및 옵티컬 플로우와 같은 벡터 값 데이터를 일반화하기 위해 클리퍼드 임베딩을 제안했다.[9] 벡터 값 데이터는 클리퍼드 푸리에 변환을 사용하여 분석된다.[9] 이러한 벡터를 기반으로 동작 필터가 클리퍼드 푸리에 도메인에서 합성되며, 클리퍼드 상관 관계를 사용하여 동작 인식이 수행된다.[9] 저자들은 고전 영화 및 스포츠 방송 텔레비전에서 일반적으로 수행되는 동작을 인식함으로써 클리퍼드 임베딩의 효과를 입증했다.[9]
8. 역사
윌리엄 킹던 클리퍼드가 1876년 3월 10일에 런던 수학회(London Mathematical Society영어)에서 〈기하학적 대수의 분류에 대하여〉(On the classification of geometric algebras영어)라는 제목으로 강의를 하였으며,[18] 이는 클리퍼드 사후에 발견되었다. 1878년에 클리퍼드는 미국의 수학 저널에 관련 논문을 출판하였다.[19] 루돌프 립시츠는 클리퍼드와 독자적으로 1880년에 클리퍼드 대수를 발견하였고, 클리퍼드 군을 최초로 사용하였다.[20][21][22]
알포르스-팔렌 행렬은 오스트리아의 카를 테오도어 팔렌(Karl Theodor Vahlende)[23]이 1902년에 도입하였고, 이후 핀란드의 라르스 알포르스[24][25][26]가 재발견하였다. 1964년에 마이클 아티야 · 라울 보트 · 아놀드 새뮤얼 샤피로(Arnold Samuel Shapiro영어)는 클리퍼드 대수가 위상 K이론과 깊은 관련이 있음을 발견하였다.[27]
참조
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논문
Preliminary sketch of bi-quaternions
[2]
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[3]
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[4]
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[5]
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North Holland Publ. Co.
[6]
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[7]
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2002
[8]
간행물
On some considerations of mathematical physics: May we identify Clifford algebra as a common algebraic structure for classical diffusion and Schrödinger equations?
[9]
conference
Action MACH: A Spatio-Temporal Maximum Average Correlation Height Filter for Action Classification
[10]
서적
Clifford algebras: an introduction
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2011-07
[11]
서적
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https://archive.org/[...]
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2008
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[14]
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[15]
저널
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2001
[16]
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[17]
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Cambridge University Press
1991
[18]
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[19]
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1878
[20]
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Principes d’un calcul algébrique qui contient comme espèces particulieres le calcul des quantités imaginaires et des quaternions (extrait d’un lettre adressée à M. Hermite)
http://gallica.bnf.f[...]
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[22]
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Cambridge University Press
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[23]
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Ueber Bewegungen und complexe Zahlen
1902
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Old and new in Möbius groups
http://www.acadsci.f[...]
1984
[25]
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Möbius transformations in ℝ''n'' expressed through 2×2 matrices of Clifford numbers
1986
[26]
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Clifford Algebras and Their Applications in Mathematical Physics
Springer
1986
[27]
저널
Clifford modules
1964
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