\documentclass[12pt]{scrartcl} \usepackage{notes_2023} \begin{document} \title{Il gruppo dei quaternioni} \maketitle Si illustra in questo documento il \textbf{gruppo dei quaternioni}, spesso e volentieri impiegato in teoria dei gruppi per fornire controesempi. Storicamente si definisce tale gruppo, indicato con $Q_8$, come il gruppo formato dai quaternioni $\pm 1$, $\pm i$, $\pm j$ e $\pm k$ sotto le usuali regole dei moltiplicazione di $\HH$. In particolare, si può definire $Q_8$ mediante la seguente presentazione: \[ Q_8 = \gen{i, j \mid i^2 = j^2, i^4 = j^4 = e, ij = j^3 i}, \] dove $1 := e$, $k := ij$ e $-1 := i^2$. In particolare $-i := i^3$ è l'inverso di $i$, $-j := j^3$ quello di $j$ e $-k := j^3 i$ quello di $k$. Si osserva che $Q_8$ ha otto elementi, sei di ordine $4$ ($\pm i$, $\pm j$ e $\pm k$), uno di ordine $2$ ($-1$) e, ovviamente, uno di ordine $1$ ($1$). \medskip Le moltiplicazioni tra $i$, $j$ e $k$ si possono riassumere col seguente diagramma: \[ \begin{tikzpicture}[->,scale=.7] % rubato a Diego Monaco -- dispense di Algebra 1, p. 52 \foreach \a/\t in {90/i,-30/j,210/k}{ \node (\t) at (\a:1cm) {$\t$}; \draw (\a-20:1cm) arc (\a-20:\a-100:1cm); } \end{tikzpicture} \] Moltiplicando in senso orario viene restituito il terzo termine, in senso antiorario viene restituita la terza potenza del terzo termine rimanente (per esempio, $ik=j^3=-j$, si ``aggiunge'' in pratica il segno meno). \medskip Si possono classificare molto facilmente i sottogruppi di $Q_8$, che sono: \begin{itemize} \item $Q_8$ stesso, di ordine $8$, banalmente normale, \item $\gen{i}$, $\gen{j}$ e $\gen{k}$, di ordine $4$, normali perché di indice $2$, \item $\gen{-1}$ di ordine $2$, normale perché caratteristico (è l'unico sottogruppo di ordine $2$ ed è anche il centro $Z(Q_8)$ di $Q_8$), \item $\{1\}$, di ordine $1$, banalmente normale. \end{itemize} Pertanto $Q_8$ è un esempio di gruppo non abeliano i cui sottogruppi sono tutti normali (e in particolare anche ciclici). Inoltre $Q_8$ non può essere decomposto non banalmente in un prodotto semidiretto tra i suoi sottogruppi: andrebbero infatti scelti due sottogruppi di ordine $4$, che, essendo normali, indurrebbero obbligatoriamente un prodotto diretto tra gruppi ciclici; poiché questo prodotto è abeliano, $Q_8$ non può essergli isomorfo. \end{document}