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quaternions d'Hamilton

Posté par
romu
23-04-08 à 11:32

Bonjur,

j'ai quelques soucis au niveau de cet exo:

Citation :
L'ensemble \mathbb{H} des quaternions de Hamilton est l'ensemble des couples (r,u)\in \mathbb{R}\times E, où E désigne l'espace euclidien orienté de dimension 3.
Il hérite de manière canonique d'une structure d'espace vectoriel de dimension 4 sur le corps des réels.

Après identification naturelle de \mathbb{R} et E avec des sous-espaces de H, on pourra noter \mathbb{H}=\mathbb{R}\oplus E.
Tout quaternion q s'écrit q=(r,u), où r est la composante réelle et u\in E est appelée composante quaternionique pure.
Avec les identifications précédentes, on écrit q=r+u.
Choisissant une base orthonormée directe (i,j,k) de E, ainsi identifié à \mathbb{R}^3, on pose u =xi+yj+zk, où x,y,z sont les trois coordonnées réelles.

Enfin on munit \mathbb{H} d'une "multiplication" notée \times par la formule suivante:

(r,u)\times (s,v) = (rs-u.v,rv+su+u\wedge v).

On rappelle la formule du "double produit vectoriel":

u \wedge (v\wedge w) = (u.w)v - (u.v)w

a) Démontrer que \mathbb{H} est une \mathbb{R}-algèbre unitaire de dimension quatre, telle qu'il existe une base (1,i,j,k) de \mathbb{H} sur \mathbb{R} vérifiant
i^2=j^2=k^2=-1, ij=-ji=k (et permutations circulaires).

b) \mathbb{H} est-elle l'unique \mathbb{R}-algèbre vérifiant de telles propriétés?

c) Montrer que \mathbb{H} est un corps non commutatif. Peut-on identifier \mathbb{H} à un surcorps de \mathbb{C}? De façon unique?

d) Quel est le centre \mathbb{Z} de l'algèbre \mathbb{H}, c'est à dire la sous-algèbre constituée des quaternions qui commutent avec tous les éléments de \mathbb{H}?


Pour la a) il me semble que c'est ok, j'ai vérifié la définition d'algèbre donnée sur wikipedia avec comme unité (1,0_E) et les relations demandées mais je n'ai pas utilisé le double produit vectoriel, je ne sais pas si c'est à cette question où j'aurai du l'utiliser

Pour la b), je prends une \mathbb{R}-algèbre \mathcal{A} de base (1_{\mathcal{A},e_1,e_2,e_3) vérifiant les identités de a), et je voudrais montrer que \mathbb{R} et \mathcal{A} ont même structure, mais je ne vois pas comment définir le transport de structure.
Sur wiki ils disent que deux algèbres A et B sont isomorphes si il existe une bijection f:A\rightarrow B telle que f(x\times_A y)=f(x)\times_B f(y) quels que soient x,y\in A, mais je ne vois pas vraiment pourquoi la structure d'espace vectoriel est aussi transportée par ces conditions?

Merci pour votre aide

Posté par
romu
re : quaternions d'Hamilton 23-04-08 à 11:48

par ij=-ji=k, je voulais dire i\times j=-j\times i=k

Posté par
fade2black
re : quaternions d'Hamilton 23-04-08 à 13:31

C'est pour vérifier l'associativité de la loi multiplicative, le double prodit vectoriel, non ?

Pour l'unicité de l'algèbre, voilà ce que je te propose sans en être sûr : prend une algebre H' avec une base 1,i',j',k' vérifiant les relations, définis une application f qui envoie 1 sur 1, i sur i', j sur j' et k sur k'. C'est évident que c'est un isomorphisme d'espace vectoriel (ça envoie une base sur une base). Maintenant t'as plus qu'à prendre x et y dans H, tu les décomposes sur ta base, et tu calcules f(xy) et f(x)f(y), c'est long mais à la fin tu trouves bien que c'est égal.

Posté par
fade2black
re : quaternions d'Hamilton 23-04-08 à 13:33

Dis moi si mon raisonnement est faux, ça m'évitera de reproduire le même lors du partiel (avec ces profs qui redonnent en partiel les sujets traités en TD, on a intérêt de bien préparer les exos ^^)

Posté par
romu
re : quaternions d'Hamilton 23-04-08 à 13:57

salut,

oui je suis parti pareil, on rajoute donc une condition de linéarité sur f par rapport à ce que disent wiki, mais j'ai eu la flemme pour l'instant de finir les calculs de f(xy) et f(x)f(y)

j'avais zappé l'associativité, ce n'était pas dans la définition de wiki, mais c'est vrai que ça paraît logique que ça sert à ça, d'autant plus qu'il dise qu'elle est associative,

merci

Citation :
avec ces profs qui redonnent en partiel les sujets traités en TD, on a intérêt de bien préparer les exos ^^


Posté par
fade2black
re : quaternions d'Hamilton 23-04-08 à 14:04

Sur les-mathématiques.net ils disent qu'un morphisme d'algèbre est un morphisme d'espace vectoriel ET un morphisme d'anneau.
Là, on définit f comme un morphisme d'espace vectoriel (puisque qu'on définit f par son action sur une base de H), reste à montrer que c'est un morphisme d'anneau, ie que 1->1 (ça c'est par définition), et que f(xy)=f(x)f(y) (ça c'est par le calcul).
Bon voilà, après avoir écrit ce paragraphe je susi à peu près convaincu ^^

Posté par
romu
re : quaternions d'Hamilton 23-04-08 à 14:14

ok et donc f est évidemment bijectif

Posté par
romu
re : quaternions d'Hamilton 26-04-08 à 21:56

a-t'on pour tous u,v,w\in E, (u\wedge v).w=u.(v\wedge w) ?

Posté par
romu
re : quaternions d'Hamilton 27-04-08 à 00:53

Bon apparement c'est vrai:

Posté par
romu
re : quaternions d'Hamilton 27-04-08 à 12:56

Pour la c) j'ai du mal pour montrer que les éléments non nuls sont inversibles.

Je prends un élément (r,u)\in \mathbb{H}. On cherche alors (s,v)\in \mathbb{H} tel que

(r,u)\times (s,v)=(s,v)\times (r,u)=1_{\mathbb{H}}

i.e. \{\array{rs-uv=1\\ rv+su+u\wedge v = su +rv+v\wedge u=0_{\mathbb{R}^3}}

i.e \{\array{rs-uv=1\\ rv+su+u\wedge v = 0_{\mathbb{R}^3}\\ u\wedge v =v\wedge u }

Après je ne vois pas comment on résoud cette équation?

Posté par
fade2black
re : quaternions d'Hamilton 27-04-08 à 22:19

Ah oui j'avais pas vu cette question.
Déjà la troisième ligne te dis que u et v sont colinéaires.
En posant v=ku, on a :
rs - kN(u)²=1 et (rk+s)u=0
Si u=0 :
La 1ère ligne donne s=1/r (et r différent de 0 sinon on aurait notre quaternion qui est nul)
La 2e ligne devient rv=0, soit v=0
L'inverse de (r,0) est donc (1/r,0), avec v quelconque.
Si u n'est pas nul :
alors rk+s=0 ; s=-kr
La première ligne devient -kr²-kN(u)²=1 soit k=-1/(r² + N(u)²) ;
on a donc v=-u/(r²+N(u)²) et s=r/(r²+N(u)²).

Dans tous les cas, l'inverse de (r,u) est donc [r/(r²+N(u)²),-u/(r²+N(u)²)]

Désolé c'est moche mais en Latex il m'aurait fallut la nuit, et puis je le fais en même temps que je tape.

Vivement dans deux jours j'avoue que j'ai hâte d'en finir avec l'algèbre

Posté par
romu
re : quaternions d'Hamilton 27-04-08 à 22:25

merci, oui moi c'est pareil, ça me prend bien la tête cette algèbre



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