home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / sci / math / 18593 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-21  |  7.0 KB

  1. Path: sparky!uunet!spool.mu.edu!yale.edu!newsserver.jvnc.net!netnews.upenn.edu!netnews.cc.lehigh.edu!ns1.cc.lehigh.edu!fc03
  2. From: fc03@ns1.cc.lehigh.edu (Frederick W. Chapman)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: help me with complex numbers ("double" and "dual" numbers)
  5. Message-ID: <1993Jan21.154332.71415@ns1.cc.lehigh.edu>
  6. Date: 21 Jan 93 15:43:32 GMT
  7. Organization: Lehigh University
  8. Lines: 164
  9.  
  10. At last, a question dealing with *my* specialty -- Hypercomplex Function
  11. Theory!  :-)
  12.  
  13. In article <1993Jan20.144533.19578@husc3.harvard.edu>,
  14. mlevin@husc8.harvard.edu (Michael Levin) writes:
  15.  
  16. >     I am reading Kantor and Solodovnikov's "Hypercomplex Numbers"
  17. >book, where he shows that there are three types of "complex" numbers.
  18. >The first kind is the usual complex numbers where i^2 = -1.
  19. >The second kind is the "double" numbers where i^2 = 1.
  20. >The third kind is the "dual" numbers where i^2 = 0.
  21.  
  22. First, a small digression -- there are only three distinct ("non-
  23. isomomorphic", as mathematicians say) *TWO* dimensional hypercomplex number
  24. systems (usually called "finite-dimensional algebras" in more modern
  25. terminology); however, there are many other such systems in *HIGHER*
  26. dimensions.  In fact, if p(X) is a monic polynomial of degree n >= 2 with
  27. real coefficients, we can form an n-dimensional hypercomplex system by
  28. taking numbers of the form
  29.  
  30.                                 2        3                n-1
  31.              a  +  a  j  +  a  j  +  a  j  +  ...  +  a  j
  32.               1     2        3        4                n
  33.  
  34. where we add componentwise and multiply using the distributive law,
  35. reducing powers j^k for k>=n to linear combinations of 1, j, ..., j^{n-1}
  36. via repeated applications of p(j) = 0.  For example, the classical complex
  37. numbers correspond to p(X) = X^2 + 1, the double numbers to p(X) = X^2 - 1,
  38. and the dual numbers to p(X) = X^2.  Such a hypercomplex system is
  39. commutative, associative, and has a multiplicative identity.
  40. (Mathematicians will recognize the system as "isomorphic" to the "quotient
  41. algebra" R[X]/(p(X)).)
  42.  
  43.  
  44. >I have found the definitions of functions like sines, cosines, logs,
  45. >etc. in terms of the real and imaginary components, for the complex
  46. >numbers in a book. I am now looking for a book which has these
  47. >definitions for the other systems. So, does anyone know of a book
  48. >which lists the definitions of the common functions in terms of the
  49. >real and imaginary components for the double and dual numbers? I.e.,
  50. >what is sin(z) when z=a+bi and i*i=0? That sort of thing. Any
  51. >references will be appreciated. Please reply to
  52. >mlevin@husc8.harvard.edu.
  53. >
  54. >Mike Levin
  55. >
  56. >(P.S. - I am not a math major; please take it easy).
  57.  
  58. You can define these functions using the usual power series definitions,
  59. and then simplify the results using facts about the number systems.
  60.  
  61.  
  62. DOUBLE NUMBERS:
  63.  
  64. The trick here is to make a change of basis.  Let epsilon_1 := (1 + i)/2
  65. and epsilon_2 := (1 - i)/2; then {epsilon_1}^2 = epsilon_1, {epsilon_2}^2 =
  66. epsilon_2, epsilon_1 * epsilon_2 = 0, and epsilon_1 + epsilon_2 = 1.  (We
  67. say that epsilon_1 and epsilon_2 give a "resolution of the identity into
  68. idempotents").  We can always write
  69.  
  70.                a + b i  =  (a+b) epsilon   +   (a-b) epsilon
  71.                                         1                   2
  72.  
  73. Notice that the PRODUCT of two numbers of the form
  74.  
  75.                       c  epsilon   +  c  epsilon
  76.                        1        1      2        2
  77.  
  78. and
  79.  
  80.                       d  epsilon   +  d  epsilon
  81.                        1        1      2        2
  82.  
  83. is simply
  84.  
  85.                    c  d  epsilon   +  c  d  epsilon
  86.                     1  1        1      2  2        2
  87.  
  88. Thus, the advantage of working with numbers expressed in terms of epsilon_1
  89. and epsilon_2 is that we can add *AND* multiply COMPONENTWISE!  In the new
  90. basis, we see that the double numbers are really just two copies of the
  91. real numbers stuck together (what mathematicians call the "direct sum of
  92. algebras").  When we apply a power series formula f(c) to c = c_1 epsilon_1
  93. + c_2 epsilon_2, we can apply the series to each component separately,
  94. getting f(c) = f(c_1) epsilon_1 + f(c_2) epsilon_2; then, if you like, you
  95. can make the reverse change of basis to get the result in terms of 1 and i.
  96.  
  97. Putting it all together, we get the following:
  98.  
  99. f(x+yi)  =  f({x+y}epsilon   +  {x-y}epsilon )
  100.                           1                 2
  101.  
  102.          =  f(x+y) espilon   +  f(x-y) epsilon
  103.                           1                   2
  104.  
  105.          =  (1/2){f(x+y) + f(x-y)}  +  (1/2){f(x+y) - f(x-y)} i
  106.  
  107. Fans of partial differential equations will notice that each component of
  108. the result is a solution of the wave equation in one space- and one
  109. time-dimension (i.e., satisfies (d/dx)^2 U - (d/dy)^2 U = 0).  One can in
  110. fact develop an entire hypercomplex function theory over the algebra of the
  111. double numbers in which the wave operator plays the same role that the
  112. two-dimensional Laplacian plays in classical complex function theory.
  113.  
  114.  
  115. DUAL NUMBERS:
  116.  
  117. The dual numbers are even easier to work with because the "generator" i has
  118. a property mathematicians call "nilpotency"; a non-zero number is
  119. "nilpotent" if some positive power of the number equals 0.  i^2 = 0 means
  120. that i is "nilpotent of order 2".  This considerably simplifies the
  121. binomial theorem:
  122.  
  123.             m     m       m-1                 m-2  2  2             m  m
  124.    (x + y i)  =  x  +  m x    y i  +  m(m-1) x    y  i  +  ...  +  y  i
  125.                                       ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  126.                                                     ZERO!
  127.  
  128. We can in turn use this to considerably simplify power series expressions
  129. in z = x + y i, for example:
  130.  
  131.                                       2               3      
  132. exp(x+yi) =  1 + (x+yi) + (1/2!)(x+yi)  + (1/3!)(x+yi)  + ... 
  133.  
  134.                            n
  135.              + (1/n!)(x+yi)  + ...
  136.  
  137.                                   2                  3    2
  138.           =  1 + (x+yi) + (1/2!)(x + 2xyi) + (1/3!)(x + 3x yi) + ...
  139.  
  140.                        n     n-1
  141.              + (1/n!)(x  + nx   yi) + ...
  142.  
  143.                              2          3               n
  144.           =  {1 + x + (1/2!)x  + (1/3!)x + ... + (1/n!)x + ...} +
  145.  
  146.                              2                    n-1
  147.              {1 + x + (1/2!)x  + ... + (1/{n-1}!)x    + ...} yi
  148.  
  149.           =  exp(x) + exp(x) y i
  150.  
  151.  
  152. In general, you will find that if f(z) is a power series expression in z =
  153. x + y i, then f(z) = f(x) + (d/dx)f(x) y i.
  154.  
  155. One can also develop a function theory over the dual numbers, but it is
  156. something of a degenerate case and not very interesting (to me).
  157.  
  158.  
  159. I hope that this information will prove useful.
  160.  
  161. All the best to you,
  162.  
  163. Fred Chapman
  164. Hypercomplex Function Theorist
  165.  
  166. -- 
  167.  
  168. o ------------------------------------------------------------------------- o
  169. |  Frederick W. Chapman, User Services, Computing Center, Lehigh University |
  170. |    Campus Phone:  8-3218     Preferred E-mail Address:  fc03@Lehigh.Edu   | 
  171. o ------------------------------------------------------------------------- o
  172. |             Ecstasy is transitory, but a theorem is forever!              |
  173. o ------------------------------------------------------------------------- o
  174.