Cuaternión

Los cuaterniones (también llamados cuaternios) son una extensión de los números reales, similar a la de los números complejos. Mientras que los números complejos son una extensión de los reales por la adición de la unidad imaginaria i, tal que $i^{2}=-1$ , los cuaterniones son una extensión generada de manera análoga añadiendo las unidades imaginarias i, j y k a los números reales, tal que:

i^{2}=j^{2}=k^{2}=ijk=-1

,

Multiplicación de cuaterniones
×	1	i	j	k
1	1	i	j	k
i	i	−1	k	−j
j	j	−k	−1	i
k	k	j	−i	−1

como se muestra mediante la tabla de multiplicación de Cayley.

Los elementos 1, i, j y k son los componentes de la base de los cuaterniones considerado como un ℝ-espacio vectorial de dimensión 4.

Etimología

Cuaternión proviene del latín quaterni (por cuatro); su significado literal es "conjunto de cuatro elementos".[1] El vocablo fue propuesto por su creador, William Rowan Hamilton.[2]

Representaciones de los cuaterniones

Vectorial

El conjunto de los cuaterniones puede expresarse como:

$\mathbb {H} =\left\{a+bi+cj+dk:a,b,c,d\in \mathbb {R} \right\}\subset \mathbb {C} ^{2}$

o equivalentemente:

$\mathbb {H} =\left\{(a+bi)+(c+di)j:a+bi,c+di\in \mathbb {C} \right\}\subset \mathbb {C} ^{2}$

Entonces un cuaternión es un número de la forma a + bi + cj + dk, donde a, b, c, y d son números reales unívocamente determinados por cada cuaternión.

Análogamente, un cuaternión puede expresarse como el producto interno (componente a componente) de dos vectores, de los cuales uno es el de las componentes ${\vec {x}}=(a,b,c,d)$ , y el otro el de las "bases": $\{1,\ i,\ j,\ k\}$ . En este caso, el elemento a₁ que forma la componente real se anota aparte, y para el producto interno se consideran solamente las tres bases i, j, k:

x=\left(a_{1},{\vec {a}}\right)=\left(a_{1},a_{2},a_{3},a_{4}\right)

Esta representación tiene algunas ventajas que pueden ser vistas en algunas operaciones como el producto de cuaterniones.

Matricial

Además hay, al menos, dos formas, isomorfismos, para representar cuaterniones con matrices. Así, el cuaternión $q=a+bi+cj+dk\,$ se puede representar:

Usando matrices complejas de 2x2:

${\begin{pmatrix}a+bi&c+di\\-c+di&a-bi\end{pmatrix}}$

Donde el conjunto de todas las matrices anteriores se designa mediante

U(2)

, cuyo subconjunto SU(2), los cuaternios unitarios, juegan un papel importante en la teoría de gauge y de donde es fácil ver que el determinante es igual a

a^{2}+b^{2}+c^{2}+d^{2}=\|q\|^{2}\,.

Una propiedad interesante de esta representación es que todos los números complejos son matrices que sólo tienen componentes reales.

Usando matrices reales de 4x4:

${\begin{pmatrix}a&b&c&d\\-b&a&-d&c\\-c&d&a&-b\\-d&-c&b&a\end{pmatrix}}$

En este caso el determinante de la matriz resulta igual a

(a^{2}+b^{2}+c^{2}+d^{2})^{2}=\|q\|^{4}\,.

Aritmética básica de cuaterniones

Parte real e imaginaria de un cuaternión

Un cuaternión ${\begin{aligned}a&=a_{1}+a_{2}i+a_{3}j+a_{4}k\end{aligned}}$ a se convierte en un número real $a_{1}$ si todas las otras coordenadas son iguales a cero. De modo tal que el eje real ℝ está contenido en el conjunto H de todos los cuaterniones.[3] El número real $a_{1}$ se considera la parte real del cuaternión $a$ . Todos los cuaterniones $a$ para los cuales $a_{1}$ igual a cero, se consideran imaginarios puros. Ellos constituyen un subespacio tridimensional $I$ del espacio $H$ de todos los cuaterniones. Los espacios $D$ e $I$ son complementos ortogonales el uno del otro. .[3] De modo tal que el cuaternión se puede escribir como la suma de la parte real y de la parte imaginaria.

Definimos la suma y producto entre cuaternios mediante la aritmética usual de las matrices y de los números complejos. Puede comprobarse que el conjunto $\mathbb {H}$ , junto con estas operaciones, satisface todas las propiedades de un campo con excepción del producto que no es conmutativo.

{\begin{aligned}a&=a_{1}+a_{2}i+a_{3}j+a_{4}k\\b&=b_{1}+b_{2}i+b_{3}j+b_{4}k\end{aligned}}

Adición

La adición se realiza análogamente a como se hace con los complejos, es decir: término a término:

\ a+b=(a_{1}+b_{1})+(a_{2}+b_{2})i+(a_{3}+b_{3})j+(a_{4}+b_{4})k

Producto

El producto se realiza componente a componente, y está dado en su forma completa por:

{\begin{aligned}ab&=(a_{1}b_{1}-a_{2}b_{2}-a_{3}b_{3}-a_{4}b_{4})+(a_{1}b_{2}+a_{2}b_{1}+a_{3}b_{4}-a_{4}b_{3})i\\&+(a_{1}b_{3}-a_{2}b_{4}+a_{3}b_{1}+a_{4}b_{2})j+(a_{1}b_{4}+a_{2}b_{3}-a_{3}b_{2}+a_{4}b_{1})k\end{aligned}}

Una forma ligeramente más reducida puede ser:

ab=(\alpha ,{\vec {a}})\ (\beta ,{\vec {b}})

ab=\left(\alpha \beta -{\vec {a}}\cdot {\vec {b}},\ \alpha {\vec {b}}+{\vec {a}}\beta +{\vec {a}}\times {\vec {b}}\right)

El producto entre cuaterniones es asociativo y no es conmutativo.

Conjugación

El conjugado de un cuaternión $x=x_{1}+x_{2}i+x_{3}j+x_{4}k$ está dado por ${\bar {x}}=x_{1}-x_{2}i-x_{3}j-x_{4}k$ . En otras palabras, el conjugado invierte el signo de los componentes "agregados" del cuaternión. Matricialmente esto corresponderá a la operación de trasposición de cualquiera de sus representaciones matriciales.

La medida o valor absoluto de un cuaternión x está dado por:

\left\|x\right\|={\sqrt {x{\bar {x}}}}={\sqrt {x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}}}

Matricialmente, esta medida coincide con la raíz cuadrada del determinante de la matriz compleja 2 por 2 que representa al cuaternión. Esta medida cumple una propiedad similar al módulo de un número complejo: |zw| = |w| |z| para cualquier cuaterniones z y w.

Usando como norma el valor absoluto, los cuaterniones conforman un álgebra de Banach real.

Cocientes

El inverso multiplicativo de un cuaternión x, distinto de cero, está dado por:

x^{-1}={\frac {\bar {x}}{x{\bar {x}}}}={\frac {\bar {x}}{\left\|x\right\|{}^{2}}}

. El cual es mismo patrón que cumplen los números complejos.

Usando la forma del inverso, es posible escribir dos cocientes de cuaterniones como:

ab^{-1}={\frac {a{\bar {b}}}{\left\|b\right\|{}^{2}}}\quad {\text{y}}\quad b^{-1}a={\frac {{\bar {b}}a}{\left\|b\right\|{}^{2}}}.

Exponenciación

La exponenciación de números cuaterniónicos, al igual que sucede con los números complejos, está relacionada con funciones trigonométricas. Dado un cuaternión escrito en forma canónica q = a + bi + cj + dk su exponenciación resulta ser:

(*) $e^{q}=e^{a+bi+cj+dk}=e^{a}\left(\cos {\sqrt {b^{2}+c^{2}+d^{2}}}+{\frac {\operatorname {sen} {\sqrt {b^{2}+c^{2}+d^{2}}}}{\sqrt {b^{2}+c^{2}+d^{2}}}}(bi+cj+dk)\right)$

Sin embargo, la exponenciación en los cuaterniones no satisface las mismas propiedades elegantes que en los complejos, ya que en general:

$e^{q_{1}}e^{q_{2}}\neq e^{q_{1}+q_{2}}\neq e^{q_{2}}e^{q_{1}}$

Como puede verse usando la ecuación (*).

Comparación con matrices

La multiplicación de matrices no es, en general, conmutativa al igual que en el caso de los cuaterniones. Sin embargo, tampoco todas las matrices poseen un inverso multiplicativo mientras que todos los cuaternios diferentes del cero son invertibles.

Detalles algebraicos

Los cuaterniones son un ejemplo de cuerpo asimétrico (a veces llamado anillo con división), una estructura algebraica parecida a un cuerpo pero no conmutativo en la multiplicación, es decir: satisfacen todas las propiedades de un cuerpo con excepción de que el producto no es conmutativo. La multiplicación es asociativa y todo cuaternión no nulo posee un único inverso. Forman una $\mathbb {R}$ -álgebra asociativa 4-dimensional sobre los reales y los complejos forman un subconjunto de ella, los cuaterniones no forman un álgebra asociativa sobre los complejos.

Usando la función distancia definida como $d(z,w)$ = |z - w|, los cuaterniones forman un espacio métrico y todas las operaciones aritméticas son continuas.

El conjunto de los cuaterniones de valor absoluto 1 forman una esfera 3-dimensional $S^{3}$ y un grupo (incluso grupo de Lie) con la multiplicación. Este grupo actúa, mediante conjugación, sobre la copia de $\mathbf {R} ^{3}$ constituida por los cuaterniones cuya parte real es cero. No es difícil comprobar que la conjugación por un cuaternión unidad de parte real cos t es una rotación de ángulo 2t con el eje de giro en la dirección de la parte imaginaria.

Así, $S^{3}$ constituye un recubrimiento doble del grupo SO(3) de matrices ortogonales 3x3 de determinante 1; es isomorfo a SU(2), el grupo de matrices 2 x 2 complejas unitarias y de determinante unidad.

Sea A el conjunto de cuaterniones de la forma a + bi + cj + dk donde a, b, c y d son, o todos enteros o todos racionales con numerador impar y denominador 2. El conjunto A es un anillo y un retículo. Hay 24 cuaterniones unitarios en este anillo y son los vértices de un politopo regular, llamado {3,4,3} en la notación de Schlafli.

Clasificación en el álgebra abstracta

Un conjunto que posee todas las propiedades de un campo excepto por $M_{2}$ se conoce como un anillo con división o un campo asimétrico. La construcción de los cuaternios por Hamilton fue el primer ejemplo de este tipo de estructura. La existencia del inverso multiplicativo de un cuaternión no nulo puede comprobarse de manera semejante a como se realiza para los complejos como sigue. Recordemos que para cualquier número complejo z = a + bi se define su norma como la raíz cuadrada de $(a^{2}+b^{2})$ y su conjugado como z = a - bi. Tenemos entonces que recordemos que el cuaternión h = a + bI + cJ + dK puede pensarse como la matriz compleja.

El conjunto de los cuaternios, con la adición y la multiplicación, constituyen un cuerpo no conmutativo, comportamiento diferente a los conocidos cuerpos conmutativos de los números racionales, reales y complejos.

El conjunto de los cuaterniones constituye un espacio lineal tetradimensional con base 1, i, j, k.

Aplicaciones

Los cuaterniones no son únicamente una curiosidad algebraica. Tienen diversas aplicaciones que van desde la teoría de números, en donde pueden utilizarse para probar resultados como el teorema de los cuatro cuadrados dado por Lagrange, que dice que todo número natural n puede expresarse como la suma de cuatro cuadrados perfectos, hasta aplicaciones físicas dentro del electromagnetismo, teoría de la relatividad y mecánica cuántica, entre otras.

Los cuaterniones en física representan rotaciones en el espacio, véase cuaterniones y rotación en el espacio. Además tienen aplicaciones en el electromagnetismo y la mecánica cuántica.

Los cuaterniones se utilizan a menudo en gráficos por computadora (y en el análisis geométrico asociado) para representar la orientación de un objeto en un espacio tridimensional. Las ventajas son: conforman una representación no singular (comparada con, por ejemplo, los ángulos de Euler), más compacta y más rápida que las matrices, en términos computacionales. Debido a lo expuesto, es común el uso de esta notación en el campo de la robótica, debido a que permite en ciertas situaciones, mediante cuaterniones unitarios, abstraer rotaciones y traslaciones con cierta simplicidad, permitiendo la obtención de la orientación relativa entre sistemas de coordenadas.[4]

Historia

Los números complejos desempeñan un papel muy importante en las matemáticas. Vinculado a esto brotó la idea de generalizar más todavía los números reales. en este proceso de expansión se construyeron los cuaterniones, cuyo papel en las matemáticas resultó poco significativo.[5]

Placa conmemorativa en el puente de Brougham (Broom), Dublín, con el texto:

"Here as he walked by on the 16th of October 1843 Sir William Rowan Hamilton in a flash of genius discovered the fundamental formula for quaternion multiplication
i² = j² = k² = ijk = −1"

Los cuaterniones fueron creados por William Rowan Hamilton en 1843. Hamilton buscaba formas de extender los números complejos (que pueden interpretarse como puntos en un plano) a un número mayor de dimensiones. No pudo hacerlo para 3 dimensiones, pero para 4 dimensiones obtuvo los cuaterniones. Según una historia relatada por el propio Hamilton, la solución al problema que le ocupaba le sobrevino un día que estaba paseando con su esposa, bajo la forma de la ecuación: i² = j² = k² = ijk = -1. Inmediatamente, grabó esta expresión en el lateral del puente de Brougham, que estaba muy cerca del lugar.

Hamilton popularizó los cuaterniones con varios libros, el último de los cuales, Elements of Quaternions (en inglés Elementos de Cuaterniones), tenía 800 páginas y fue publicado poco después de su muerte.

Generalizaciones

Si F es un cuerpo cualquiera y a y b son elementos de F\{0}, se puede definir un álgebra asociativa unitaria de cuatro dimensiones sobre F utilizando dos generadores, i y j, y las relaciones i² = a, j² = b e ij = -ji. Estas álgebras, o son isomorfas al álgebra de matrices 2x2 sobre F, o son álgebras de división sobre F, y se denominan álgebras de cuaterniones.

Véase también

Referencias

«cuaternio». Tesoro de los diccionarios históricos de la lengua española (RAE).
N.V. Alexándrova. Diccionario Histórico de notaciones, términos y conceptos de las matemáticas ISBN 978-5-396-00676-8
Pontriaguin Op. Cit.
«3.5.1». Fundamentos de Robótica. p. 86. ISBN 8448108159.
L. S. Pontriaguin Generalizaciones de los números Editorial URSS Moscú (2005) ISBN 5-354-01135-3 (edición en español)

Bibliografía

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Hamilton (1899) Elements of Quaternions volume I, (1901) volume II. Edited by Charles Jasper Joly; published by Longmans, Green & Co..
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For molecules that can be regarded as classical rigid bodies molecular dynamics computer simulation employs quaternions. They were first introduced for this purpose by D.J. Evans, (1977), "On the Representation of Orientation Space", Mol. Phys., vol 34, p 317.
Zhang, Fuzhen (1997), "Quaternions and Matrices of Quaternions", Linear Algebra and its Applications, Vol. 251, pp. 21--57.

Enlaces externos y monografías

Matrix and Quaternion FAQ v1.21 Frequently Asked Questions
"Geometric Tools documentation" (frame; body) includes several papers focusing on computer graphics applications of quaternions. Covers useful techniques such as spherical linear interpolation.
Patrick-Gilles Maillot Provides free Fortran and C source code for manipulating quaternions and rotations / position in space. Also includes mathematical background on quaternions.
"Geometric Tools source code" (body;Archivado el 11 de enero de 2010 en Wayback Machine.) includes free C++ source code for a complete quaternion class suitable for computer graphics work, under a very liberal license.
Doug Sweetser, Doing Physics with Quaternions
Quaternions for Computer Graphics and Mechanics (Gernot Hoffman)
The Physical Heritage of Sir W. R. Hamilton (PDF)
D. R. Wilkins, Hamilton’s Research on Quaternions
Quaternion Julia Fractals 3D Raytraced Quaternion Julia Fractals by David J. Grossman
Quaternion Math and Conversions Great page explaining basic math with links to straight forward rotation conversion formulae.
John H. Mathews, Bibliography for Quaternions.
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Andrew Hanson, Visualizing Quaternions home page.
{{}}
Charles F. F. Karney, Quaternions in molecular modeling, J. Mol. Graph. Mod. 25(5), 595–604 (Jan. 2007); DOI: 10.1016/j.jmgm.2006.04.002; E-print arxiv:0506177.
Johan E. Mebius, A matrix-based proof of the quaternion representation theorem for four-dimensional rotations., arXiv General Mathematics 2005.
Johan E. Mebius, Derivation of the Euler-Rodrigues formula for three-dimensional rotations from the general formula for four-dimensional rotations., arXiv General Mathematics 2007.
NUI Maynooth Department of Mathematics, Hamilton Walk.
OpenGL:Tutorials:Using Quaternions to represent rotation
David Erickson, Defence Research and Development Canada (DRDC), Complete derivation of rotation matrix from unitary quaternion representation in DRDC TR 2005-228 paper. Drdc-rddc.gc.ca
Alberto Martinez, University of Texas Department of History, "Negative Math, How Mathematical Rules Can Be Positively Bent",Utexas.edu
D. Stahlke, Quaternions in Classical Mechanics Stahlke.org (PDF)
Morier-Genoud, Sophie, and Valentin Ovsienko. "Well, Papa, can you multiply triplets?", arxiv.org describes how the quaternions can be made into a skew-commutative algebra graded by Z/2×Z/2×Z/2.
Curious Quaternions by Helen Joyce hosted by John Baez.
Luis Ibanez "Tutorial on Quaternions" Part I Part II (PDF)

Software

Quaternion Calculator [javascript], bluetulip.org
Quaternion Calculator [Java], theworld.com
Quaternion Toolbox for Matlab (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)., http://sourceforge.net/projects/qtfm/
Boost library support for Quaternions in C++, boost.org
Mathematics of flight simulation >Turbo-PASCAL software for quaternions, Euler angles and Extended Euler angles, xs4all.nl

Datos: Q173853
Multimedia: Quaternions / Q173853

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[1] «cuaternio». Tesoro de los diccionarios históricos de la lengua española (RAE).

[2] N.V. Alexándrova. Diccionario Histórico de notaciones, términos y conceptos de las matemáticas ISBN 978-5-396-00676-8

[Pontriaguinopcit-3] Pontriaguin Op. Cit.

[4] «3.5.1». Fundamentos de Robótica. p. 86. ISBN 8448108159.

[5] L. S. Pontriaguin Generalizaciones de los números Editorial URSS Moscú (2005) ISBN 5-354-01135-3 (edición en español)