還有沒有比複數更高級的數?

2021-02-08 數學加油吧

二元複數已經是一個完備的數域;比二元複數更高級的數也有,叫做超複數,比如四元數、八元數、十六元數等等。

複數是實數的擴張,如果我們把實數看成一維,複數就是二維的,複數由實數和虛數兩個維度組成;複數的發現史,非常具有傳奇性,和一元三次方程的解有關。



在17世紀,數學家初識虛數的奇妙性質,經過200多年的探索,虛數的本質終於被揭開——虛數是不同於實數的另外一個數軸,與實數一起形成複數數域。

我們注意到這麼一個事實:實數對「加減乘除」是完備的,但是對開方、取對數就會出現函數值溢出實數域。

比如:-2開根號,就不能再用實數表示,早期的數學家把這種情況稱之為「不可約」,然後毫不留情地把這個值扔進「垃圾桶」,並對其他人說到:這裡的取值超出了函數的定義域,所以是不對的!

然而,一些天才逐漸發現,負數開根號可以參與數學運算,這一發現促進了複數的發展,歷經200多年的時間,數學家才肯定了虛數的地位。

虛數和實數組成的複數,在加減乘除、開方、取對數等等,一切可定義的基本運算中都是完備的;換句話說,無論你如何折騰複數,最終得到的結果,都在複數域內。

二元複數的地位確定之後,部分數學家開始思考比複數更高級的數域,首先想到的自然就是三元數;可惜三元數並不存在,因為三元數無法形成自洽的運算系統。


到了1843年,數學家哈密頓發現了四元數(1,i,j,k),四元數可以形成完備的數域,並定義:i^2=j^2=k^2==-1;

四元數在一些特殊的物理場景,有著實際應用,比如:四維閔科夫斯基時空、剛體動力學等等,參與多變量的模型計算。

在絕大多數場景,複數已經夠用,所以義務制教育中也只介紹到二元複數,對於更高級的超複數,只作為業餘了解;另外,四元數之上,還有八元數、十六元數等等,應用就更少了!

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