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克利福德代数

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环论
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數學上,克利福德代数Clifford algebra)是由具有二次型向量空間生成的單位結合代數。作為域上的代數,其推廣實數系複數系四元數系超複數系,以及外代数[1][2]此代數結構得名自英國數學家威廉·金顿·克利福德

研究克里福代数的理論有時也稱為克里福代數,其與二次型論和正交群理論緊密聯繫。其在几何理論物理數碼圖像處理英语digital image processing中有很多应用。其主要贡献者有:威廉·哈密顿(四元数),赫尔曼·格拉斯曼(外代数),威廉·金顿·克利福德David Hestenes英语David Hestenes等。

最常見的克里福代數是正交克里福代數,又稱(黎曼克里福代數。另一類是扭對稱克里福代數[3]

定義及基本性質[编辑]

設有上的向量空間,且其上有二次型。克里福代數是由生成的最自由的英语free algebra單位代數結合代數,但須滿足[註 1]

其中左邊的平方是該代數中的乘法,而右邊的為其乘法單位元。所謂「最自由」,可以用泛性質嚴格定義,詳見下節

為有限維實向量空間,且非退化,刖可記為,表示有一組正交基,其中個基元滿足,另有個基元滿足,而指明該克里福代數定義在實域上,即該代數的元素系數皆為實數。此組正交基可藉正交對角化英语orthogonal diagonalization找出。

生成的自由代數是張量代數。換言之,其為自身的張量積,對所有直和。故相應的克里福代數會是該張量代數對元素取遍的元素)生成的雙邊理想。張量積導出在商代數的乘積以串接表示(例如)。其結合律由張量積的結合律推出。

克里福代數有指明的子空間,即嵌入。若只得與克里福代數同構代數,則一般無法唯一確定該子空間。

若底域特徵不為,則可將基本恆等式重寫成

其中

定義的對稱雙線性形式與二次型之間有極化恆等式

特徵為的二次型與克里福代數為特例。具體而言,若,則對於二次型,式未必唯一確定某個對稱雙線性型也未必有正交基。本條目不少命題的條件皆要求特徵不為,而若允許特徵為,則命題不再成立。

作為外代數的量子化[编辑]

克里福代數與外代數密切相關。外代數是克里福代數的特例:若在克里福代數的定義中,取,則克里福代數就是外代數。即使非零,只要基域的特徵非之間仍有典範的線性同構。換言之,兩者作為向量空間自然地同構,但其上的乘法有分別。特徵為時,兩者仍線性同構,然而該同構並非自然。克里福代數的乘法和指定的子空間是比外代數更豐富的結構,因為用到提供的額外資訊。

克里福代數為濾套代數英语filtered algebra,而相伴的分次代數英语Associated graded ring為外代數。

具體而言,克里福代數可視為外代數的「量子化」(見量子群),正如外爾代數英语Weyl algebra對稱代數英语symmetric algebra的量子化。

外爾代數和克里福代數還具有*-代數英语*-algebra的結構,並能整合成某個超代數英语superalgebra的偶次和奇次項,見典範對易與反對易關係代數英语CCR and CAR algebras

泛性質與構造[编辑]

上的向量空間上的二次型。多數情況下,域實域複域,或有限域

克里福代數定義為有序對[註 2][5]其中上的單位結合代數,而線性映射滿足對任意,皆有,且滿足下列泛性質:給定上任何單位結合代數和線性映射

(其中表示的乘法單位元),必有唯一的代數同態使得以下圖表可交換(即

CliffordAlgebra-01.png

二次型可換成滿足的(無需對稱的)雙線性形式,此時需滿足的條件等價於

當基域的特徵非時,以上條件也等價於:

其中雙線性型不妨限定為對稱雙線性型。

以上描述的克里福代數必定存在,能藉以下一般方法構造:先選取由生成的最自由的代數,即張量代數,然後藉取,保證基本恆等式成立。對於克里福代數,所需的雙邊理想是由所有形如

的元素生成,其中取遍的元素,隨後便可定義為商代數

商承繼的乘積有時稱為克里福積[6]:8–9,以免與外代數的外積或純量積混淆。

有上述的構造後,可以直接驗證包含,且滿足所需的泛性質。而由泛性質,可知在唯一同構的意義下唯一,故在此意義下,可當克里福代數必定由上述構造給出。從構造可知,單射,故通常隱藏而視線性子空間

因為克里福代數可由泛性質定義,所以的構造具函子性,即函子,其定義域為具有二次型的-向量空間組成的範疇(其態射為保二次型的線性映射),陪域為結合-代數範疇。泛性質保證,向量空間之間保二次型的線性映射,唯一擴展成相應的克里福代數的代數同態。

基與維數[编辑]

由於已配備二次型,在特徵非時,有一組正交基,即其元素滿足

,及

基本克里福恆等式推出,對於正交基,有

,及

此關係使正交基元間的運算很容易。給定中兩兩互異的正交基元的乘積 ,可以將各因子按順序排好,而僅需依照置換的奇偶性在前面加上正負號。

上的維數,且的正交基,則上的向量空間,其一組基為

.

在上式中,空乘積()定義為乘法單位元。由於每個可以出現或不出現在乘積中,的維數(即基的大小)為

例子:實域上與複域上的克里福代數[编辑]

克里福代數的重要例子源自向量空間及其上非退化的二次型給出。

本節的例子皆同構於某個,其中上的全個矩陣環。此類代數的完整分類,見克里福代數的分類英语Classification of Clifford algebras

實域上[编辑]

克里福代數有時稱為幾何代數英语Geometric algebra,尤其定義在實域上時。

有限維實向量空間上的非退化二次型必等價於某個標準對角型:

其中為向量空間的維數。非負整數對稱為二次型的符號英语metric signature。配備此二次型的實向量空間一般記為,而生成的克里福代數則記為可能表示,視乎作者偏好二次型正定抑或負定。

的標準支兩兩正交的向量組成,其中支的平方為,其餘支的平方則為。於是,代數中,也有該支向量的平方為,該支向量的平方為

低維的例子有:

自然同構,因為並無非零向量。
為由(其平方為)生成的二維代數,從而與複數域代數同構。
為由張成的四維代數。後三個基元的平方皆為,且兩兩相反交換,故代數與四元數系同構。
為八維代數,與直和英语Direct sum of modules分裂複四元數系英语split-biquaternion)同構。

複域上[编辑]

也可以研究複域上的克里福代數。維複向量空間上,每個非退化二次型都等價於標準對角型

由此,對每個維數,在同構意義下,恰有一個克里福代數定義在配備非退化二次型的維複向量空間上,記為

最小的幾個例子為:

複數系
雙複數系
複四元數系,其中表示複域上的矩陣組成的代數。

例子:構造四元數與二元四元數[编辑]

四元數[编辑]

本節將會構造哈密頓四元數系,作為克里福代數的偶子代數。

為實三維向量空間,二次型為歐氏度量的相反數,則對於,相應的純量積(雙線性型)由

給出。

現引入向量的克里福積,使其滿足

(此處有負號,以使該代數與四元數的聯繫更清晰。)

的一組正交單位基,則由上式可知,其兩兩的克里福積滿足

克里福代數的任意元素可以表示成

若只考慮偶次項,則得到偶子代數,其任意元素可表示成

若定義四元數的基元

則可知與哈密頓的實四元數代數同構,理由是:

與四元數的運算法則一致。

二元四元數[编辑]

本節構造二元四元數系英语dual quaternion,作為配備退化二次型的實四維向量空間的偶克里福代數。[7][8]

設向量空間為實四維空間,並設二次型為源自上歐氏度量的退化型,即相應的雙線性型滿足:對任意

換言之,此退化純量積只考慮將投影到後的像。

向量的克里福積由下式定義:

同上節,負號是為了明確該代數與四元數系的對應關係。

的標準基元為,則其克里福積滿足關係

克里福代數也記為(下標分別表示平方為的基元個數),其一般元素有16項,而僅取偶次項時,得到偶子代數,其一般元素形如

於是,可分別定義四元數基元二元數基元

從而給出二元四元數英语dual quaternion代數的同構。

要驗證二元四元數的乘法法則,可以計算

後者的計算中,的換位將符號改變了偶數次(即無改變)。同樣的方法能證明,二元數基元可與全部四元數基元交換。

低維例子[编辑]

為特徵非的域。

一維[编辑]

對於的情況,若有對角化,即存在非零向量,則代數同構於,即由滿足的單一個元素生成的-代數。

更具體而言,有三種情況:

  1. (即為零二次型),則代數同構於上的二元數代數
  2. 非零,且為中的平方數,則
  3. 其餘情況下,同構於的二次域擴張

二維[编辑]

對於的情況,若有對角化,其中皆非零(非退化時必然存在),則同構於由生成的-代數,其中滿足

於是同構於(廣義)四元數代數英语quaternion algebra。在時,該代數化歸為哈密頓的四元數代數,即

作為特殊情況,若有某個使得,則是二階方陣的代數。

性質[编辑]

與外代數的關係[编辑]

給定向量空間,可以構造外代數,其定義不取決於上任何二次型。事實上,若的特徵非,則作為向量空間自然同構(而在特徵時,仍有同構,但不一定自然)。該自然同構當且僅當時為代數同構。所以,可以將克里福代數視為的外代數額外配備取決於的乘法。(準確而言是外代數的「量子化」,見#作為外代數的量子化。)原有的外積仍有不取決於的定義。

描述以上同構的簡單方法是:先取的正交基,並擴展成的基(如#基與維數所述)。定義映射使

並線性擴展。注意此處用到正交。可以證明,映射的定義無關正交基的選擇,故為自然同構。

特徵,則也可以藉反對稱化(antisymmetrizing)定義以上同構:定義一列映射使

其求和符號中,取遍對稱群的元素。由於反對稱,其導出獨一個映射。該些映射的直和英语Direct sum of modules的線性映射。可以證明該映射為同構,且是自然同構。

也可以從更高等的觀點,在上構造濾過英语Filtered algebra,以看待兩者的關係。注意張量代數有自然濾過,其中含所有不高於的張量。將此濾過投射到克里福代數上,就得到上的濾過。與此濾過相伴的分次代數英语associated graded algebra

與外代數自然同構。由於濾過代數的相伴分次代數總與原濾過代數作為濾過向量空間同構(藉選取中的補集),可知克里福代數與外代數在任何特徵(包括)下皆同構(儘管不一定自然)。

分次[编辑]

本節假設特徵非[註 3]

克里福代數為-分次代數英语graded algebra(又稱為超代數英语superalgebra),以下說明原因。在上,線性映射關於原點對稱)保持二次型,故由克里福代數的泛性質,該線性映射延拓成代數自同構

由於對合(即其平方為恆同映射),可以將分解成的正和負特徵空間:

其中

由於是自同構,有:

其中方括號上標的運算模,故上式賦予作為-分次代數英语graded algebra的結構。子空間子代數英语subalgebra,稱為偶子代數。而子空間則稱為奇部(其不為子代數)。此-分次在克里福代數的分析和應用上很重要。自同構稱為對合(main involution)或次數對合(grade involution)。此-分次中的純元素,即偶部或奇部的元素,分別稱為偶元奇元

當特徵非時,由於與外代數有典範同構,作為向量空間,承繼-分次和-分次。[註 4]然而,該分次僅為向量空間分次,而非代數分次。換言之,克里福乘積並不遵守該-分次或-分次,僅遵守上段的-分次:例如,若,則,但,而不在中。不過此等分次之間有自然的聯繫:。更甚者,克里福代數有-濾過英语filtered algebra

克里福數的次數通常指-分次的次數。

克里福代數的偶子代數本身亦同構於某個克里福代數。[註 5][註 6]為具有非零範數的向量與子空間的正交直和,則同構於,其中為二次型乘上,並限制到。作為例子,以上結論在實域上推出:

負定的情況下,上式給出包含關係,延伸序列

類似可證,在複域上, 的偶子代數同構於

反自同構[编辑]

除自同構外,克里福代數的分析中,還有兩個重要的反自同構英语antiautomorphism。記得張量代數有將全部乘法次序反轉的反自同構:

由於理想在該反轉下不變,該反轉也定義上的反自同構,稱為轉置反轉,記為。轉置為反自同構,即有。上述定義中,並未用到-分次,故可複合自同構與轉置,而得另一個反自同構。新的反自同構稱為克里福共軛,記為。以符號表示:

兩個反自同構中,轉置更本質。[註 7]

此三種運算皆是對合。此外,其對-分次純元的作用皆是乘上,且符號僅取決於次數。換言之,若次純元,則

其中符號載於下表:

克里福純量積[编辑]

當特徴非時,上的二次型可以延拓成上的二次型(同樣記為)。該延拓可用以下不取決於基的方式定義:

其中表示的純量部分(-分次的零次項)。可以證明,對於的元素,有

但上式對的其他元素不一定成立。

上,與相伴的對稱雙線性型由下式定義:

可以驗算,若限制在上,則該雙線性型化為上原有的雙線性型。在上,該雙線性型非退化當且僅當其限制在上非退化。

關於此純量積,左(右)乘與右(左)乘互為伴隨。換言之,

克里福代數的結構[编辑]

本節假設域的特徵非,向量空間為有限維,且二次型非退化。若矩陣代數的系數取自某個中心的有限維除代數英语division algebra,則該矩陣代數稱為上的中心單代數英语central simple algebra。例如,實域上的中心單代數可能是實域上的矩陣代數,也可能是四元數代數上的矩陣代數。有下列結論:

  • 的維數為偶數,則上的中心單代數。
  • 的維數為偶數,則偶子代數或是的二次擴張上的中心單代數,或是上兩個同構的中心單代數的直和。
  • 的維數為奇數,則或是的二次擴張上的中心單代數,或是上兩個同構的中心單代數的直和。
  • 的維數為奇數,則偶子代數上的中心單代數。

克里福代數的結構可從以下結果推導出:假設有偶數維,且有非退化的雙線性型,其行列式,又設為另一個向量空間,亦配備二次型,則的克里福代數同構於的克里福代數與的克里福代數的張量積。(後者仍是向量空間,但其上的二次型要乘上因子。)在實域上,上述結果推出:

該些公式可用作找出所有實克里福代數和複克里福代數的結構,詳見克里福代數的分類英语classification of Clifford algebras

值得注意,克里福代數的森田等價類(即其整個表示論:該代數上的模範疇粵语模範疇加性等價類)只取決於其符號。此為一種代數形式的博特周期性

利普希茨群[编辑]

利普希茨群(又稱為[4]:126克里福群或克里福-利普希茨群)由魯道夫·利普希茨發現。[6]:220

本節中,設為有限維向量空間,而二次型非退化。

克里福代數的可逆元群以「扭轉共軛」的方式作用在克里福代數上:所謂扭轉共軛作用在上,結果便是,其中上文定義的主對合

利普希茨群定義為所有滿足

的可逆元的集合。換言之,要求的扭轉共軛穩定化所有向量組成的集合。[9]

上式說明,該群作用可以限制成向量空間上的群作用,且其保持二次型,故給出利普希茨群到正交群的同態。利普希茨群包含所有令中可逆的元素,而此等元素作用在上的效果為反射

(特徵為時,此種映射稱為錯切而非反射。)

為有限維實向量空間,並配備非退化二次型英语Degenerate bilinear form,則利普希茨群滿射到關於該二次型的正交群(根據嘉當-迪厄多內定理),且恰好包含的所有非零元,故有下列短正合列

其中的偶子群。

其他域上,或當二次型退化時,該映射未必滿,而旋量範數描述其不滿程度。

旋量範數[编辑]

對任意特徵,利普希茨群上的旋量範數由下式定義:

其為由利普希茨群射去非零元素的乘法群的同態。當視為克里福代數的子空間時,上等於與原有的二次型。若干作者採用不同的定義,以致在上,其定義與上述定義相差倍。只要特徵不為,此差異並不重要。

中的非零元素的旋量範數是在非零平方子群中,所以,若有限維且其上的二次型非退化,則有同態從的正交群映去,亦稱為旋量範數。對任意向量,關於是關於二次型而言)反射的旋量範數在中的像為。此性質唯一確定正交群上的旋量範數。故有正合列:

注意在特徵為時,群只有一個元素。

若從代數群伽羅瓦上同調考慮,旋量範數是上同調的連接同態。其含義是,以表示1的平方根組成的代數群英语Group scheme of roots of unity(若域的特徵不為,則該群大致就是二元群,且其伽羅瓦作用平凡),則短正合列

給出上同調層面的長正合列,其起始一段為

代數群的系數零階伽羅瓦上同調即其值點旳群:,而 ,故也能從長正合列推導出上段的正合列

其中旋量範數為連接同態

旋量群與Pin群[编辑]

本節假設有限維,且其雙線性型非退化。

Pin群為利普希茨群中,旋量範數為的元素組成的子群。類似地,旋量群中,迪克森不變量的元素組成的子群。當特徵非時,該些元素即行列式為的元素。旋量群在Pin群的指數英语Index of a subgroup通常為

前一節說明,利普希茨群有到正交群的滿同態。定義特殊正交群的像。若的特徵非,則特殊正交群就是正交群中,行列式為的元素的子群。若的特徵為,則正交群所有元素的行列式皆為,而特殊正交群為迪克森不變量為的元素的子群。

也有從Pin群到正交群的同態。其像由旋量範數為的元素組成,而核則由組成(故其階為,除非特徵為)。類似有由的旋量群到其特殊正交群的同態。

為實正定或負定空間時,旋量群有滿同態射到特殊正交群上,且在至少維時,旋量群單連通。更甚者,此滿同態的核為。故此時,旋量群的二重覆疊。然而,旋量群在一般情況下未必單連通:若,其中皆至少為,則旋量群並不單連通。此情況下,代數群作為代數群仍然單連通,但其實值點群則不再單連通。

旋量[编辑]

為偶時,克里福代數可表示成維的(複)矩陣代數。限制到群,則得到同一維數的Pin群的複表示,稱為旋量表示英语spin representation。若再限制到旋量群上,則該表示分解成兩個半旋量表示(half spin representations,又稱外爾表示,Weyl representations)的直和,每個半旋量表示有維。

為奇,則克里數代數為兩個矩陣代數的直和,每個有維,且皆為Pin群的表示。限制到旋量群時,兩個矩陣代數變得同構,故旋量群有維的複旋量表示。

更一般而言,任何域上的旋量群和Pin群都有相似的表示,其結構取決於對應的克里福代數的結構英语classification of Clifford algebras:每當克里福代數有因子為某個除代數上的矩陣代數,其Pin群和旋量群就有該除代數上的對應表示。在實域的例子,參見旋量條目。

實旋量[编辑]

為描述實旋量表示,需先明白旋量群如何位處克里福代數中。Pin群中,可寫成單位向量之積的可逆元素的集合:

若考慮克里福代數的矩陣表示,則pin群的元素為任意多個反射(見上文)之積,是整個正交群的覆疊。而旋量群的元素則是中,偶數支單位向量之積。所以,根據嘉當-迪厄多內定理,旋量群是旋轉群的覆疊。

為自同構,其將純向量映至,則中,的不動點組成的子群。又設

(其元素正是的偶次元素。)則旋量群包含於

不可約表示可以限制英语Restricted representation成pin群的表示。反之,由於pin群由單位向量生成,其所有不可約表示皆可如此導出英语induced representation,故兩者有一樣的不可約表示。同理,旋量群與有同樣的不可約表示。

要將pin群的表示分類,需要用到克里福代數的分類英语classification of Clifford algebras。至於旋量群的表示(與偶子代數的表示一樣),可以使用下列同構(見上文):

從而得知,符號的旋量群表示就是符號的pin群表示。

應用[编辑]

微分幾何[编辑]

外代數在微分幾何可用作定義光滑流形上的微分形式。在(黎曼流形的情況,每個切空間上配備自然的二次型(由度規張量導出)。所以,如同外叢英语exterior bundle,可以定義克里福叢英语Clifford bundle。在黎曼幾何,克里福叢有若干重要應用,例如其與旋量流形英语spin manifold、相伴的旋量叢流形的關聯。

物理[编辑]

克里福代數在物理有若干重要應用。物理學家通常認定克里福代數具有一組基,其由狄拉克矩陣生成。此種矩陣滿足關係式

其中為記號(或,度量記號的兩種等價選取)的二次型的矩陣。上列關係式恰好是定義實克里福代數的關係式,而該代數的複化根據克里福代數的分類英语classification of Clifford algebras,同構於複矩陣的代數。然而,在此用法下,仍需保留的寫法,因為將雙線性型變成標準型的變換不屬時空的洛伦兹变换

所以,物理使用的時空克里福代數比有更多結構。例如,有額外指明一族允許的變換,即洛伦兹变换。視乎用途,例如希望框架能容納多少理論,不一定一開始便要複化,但在量子力學,為使李代數旋量表示英语Spin representation能包含於克里福代數中,通常都須考慮複克里福代數。以下列出定義該旋量李代數的關係式以供參考:

上式按照記號的約定,因此能放入[10]

狄拉克矩陣最早由保罗·狄拉克寫出,其時他正嘗試寫出電子的相對論性一階波動方程,並試圖給出由克里福代數到複矩陣代數的明確同構。該些矩陣後來用作定義狄拉克方程式和引入狄拉克算子。在量子場論中,整個克里福代數以Dirac field bilinear英语Dirac field bilinear的形式出現。

使用克里福代數來描述量子理論,推動者有Mario Schönberg英语Mario Schönberg[註 8]David Hestenes英语David Hestenes幾何微積分英语geometric calculus方面)、戴维·玻姆Basil Hiley英语Basil Hiley及同事(克里福代數的分層英语Basil Hiley#Hierarchy of Clifford algebras)、Elio Conte等。[11][12]

電腦視覺[编辑]

電腦視覺方面,克里福代數適用於辨認和分類動作。米基·洛迪古斯(Mikel Rodriguez)及合作者[13]提出用克里福嵌入,將傳統的最大平均關聯高度濾子(Maximum Average Correlation Height filter, MACH filter)推廣,套用於影片(3D時空體積)以及向量值數據,例如光流。向量值數據需以克里福傅立葉變換英语Clifford analysis分析。基於該些向量,能在克里福傅立葉域中,合成出動作濾子,然後用克里福關聯來辨認動作。論文作者用克里福嵌入,分辨出傳統劇情長片和體育廣播的常見動作,以論證其方法有效。

推廣[编辑]

  • 本條目只考慮域上的向量空間的克里福代數,但同樣可定義任何單位結合交換環上的的克里福代數。[3]
  • 亦在克里福代數的定義中,將二次型推廣成更高次的映射。[14]

會議與期刊[编辑]

克里福代數和幾何代數,以及相關的跨學科研究,是活躍的研究主題,且有廣泛的應用。此學科的學術會議包括克里福代數及其在數學物理的應用國際會議(ICCA)幾何代數在電腦科學及工程學的應用(AGACSE)兩個系列。期刊包括斯普林格出版的《應用克里福代數進展英语Advances in Applied Clifford Algebras》。

[编辑]

  1. ^ 研究實克里福代數且偏好正定二次型者(尤其研究指標理論者),有時在基本克里福恆等式中使用不同的符號英语sign convention。換言之,其取。代,便可切換兩種約定。
  2. ^ [4]明確指出映射(引文作)是克里福代數結構的一部分,其定義寫作:「有序對為二次空間的克里福代數,若作為代數是由生成,且滿足:對所有,有。」
  3. ^ 群代數半單英语Semisimple algebra,且克里福代數可分解成主對合的特徵空間
  4. ^ 此處的-分次,僅是將-分次添加負指標處的零子空間。
  5. ^ 嚴格而言,因為未指明克里福代數定義中的向量空間,所以該同構僅是代數同構,而非克里福代數同構。
  6. ^ 仍假設特徵非
  7. ^ 若在克里福代數的定義中,約定的符號不同(多一個負號),則反之,即共軛更本質。一般而言,共軛與轉置的含義會因約定的符號不同而互換。例如,本條目採用的定義中,向量的逆元為,但約定相反的符號時,則有
  8. ^ 見A. O. Bolivar, Classical limit of fermions in phase space, J. Math. Phys. 42, 4020 (2001) doi:10.1063/1.1386411在"The Grassmann–Schönberg algebra "一節描述,Schönberg在1956年和1957年出版的論文。

參考資料[编辑]

  1. ^ Clifford, W.K. Preliminary sketch of bi-quaternions. Proc. London Math. Soc. 1873, 4: 381–395 (英语). 
  2. ^ Clifford, W.K. Tucker, R. , 编. Mathematical Papers. London: Macmillan. 1882 (英语). 
  3. ^ 3.0 3.1 Oziewicz, Z.; Sitarczyk, Sz. Parallel treatment of Riemannian and symplectic Clifford algebras. Micali, A.; Boudet, R.; Helmstetter, J. (编). Clifford Algebras and their Applications in Mathematical Physics. Kluwer. 1992: 83. ISBN 0-7923-1623-1 (英语). 
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