Grupa kvaterniona
Grupa kvaterniona je osmeročlani skup s asocijativnom operacijom množenja u kojoj je neutralni element, množenje s “mijenja predznak”, vrijede “cikličke relacije” , , , ali u obratnom poretku , , i, konačno, . S obzirom na to množenje, je nekomutativna grupa. Inverzi su , , .
Tijelo kvaterniona
Tijelo kvaterniona je skup sa zbrajanjem
i množenjem distributivnim prema zbrajanju u kojem najprije pomnožimo koeficijente kao realne brojeve i onda pomnožimo kao elemente grupe , pri čemu identificiramo s itd. Npr. . Elemente u zovemo kvaternionima. Skup svih kvaterniona s je potprsten koji je očito izomorfan polju kompleksnih brojeva.
Da vidimo da je prsten zaista tijelo, moramo pokazati da svaki element različit od ima obostrani inverz. Najprije za svaki kvaternion definiramo njemu konjugirani kvaternion i izračunamo direktno
To je realni broj koji je različit od nule ako je . Kako realni brojevi komutiraju sa svim kvaternionima, to za brojem možemo dijeliti koeficijente kvaterniona.
Direktnim računom možemo provjeriti da i, u drugom poretku, . Posljedica je da je (i analogno u drugom poretku), pa smo našli inverz
od . Eksplicitnije,
Općenitije, ako su i ma koja dva kvaterniona, tada vrijedi
Korijen nazivamo i normom ili apsolutnom vrijednošću kvaterniona .
Tijelo kvaterniona je tijelo koje nije komutativno, tj. nije polje. Možemo ga gledati i kao 4-dimenzionalno vektorski prostor na s bazom u kojem imamo egzotično množenje vektora. Kako je to je umnožak kvaterniona norme 1 također norme 1, a iz gornje formule za inverz vidi se da je inverz kvaterniona norme 1 također norme 1. Slijedi da je jedinična 3-dimenzionalna sfera
u 4-dimenzionalnom prostoru kvaterniona kao realnom vektorskom prostoru, zatvorena s obzirom na kvaternionsko množenje i štoviše čini podgrupu multiplikativne grupe svih elemenata u različitih od nule. Naravno, ta podgrupa nije zatvorena s obzirom na zbrajanje.
Realizacija kvaterniona pomoću matrica
Neka je . Promatrajmo 2x2-matrice kompleksnih brojeva
Skup svih 2x2-matrica kompleksnih brojeva oblika gdje su realni brojevi podskup je prstena svih 2x2-matrica koji je zatvoren s obzirom na množenje i zbrajanje, točnije čini podprsten i taj prsten je izomorfan tijelu kvaterniona na očevidan način. Zaista, lako se provjeri , , , , , , gdje je jedinična 2x2-matrica.
Matrice , , zovu se Paulijeve matrice (wikipedia) i zadovoljavaju , , .
Primijetite da je redoslijed identifikacija malo poremećen i xyz dolazi od JIK (radije nego IJK) jer koeficijent uvodi promjenu predznaka kod množenja, npr.