四元群

在群論裡，四元群 ${\displaystyle Q_{8}}$ (Quaternion Group) 是指一個階為8的非交換群，常被簡寫為 ${\displaystyle Q}$，且用乘法的形式表示。包含下列8個元素：

${\displaystyle Q=\{1,i,j,k,-1,-i,-j,-k\}}$

Q的環圖。每一種顏色代表連結至單位元(1)之任一元素的次方。例如，紅色的環反映了${\displaystyle i^{2}=1}$、${\displaystyle i^{3}=-i}$ 和 ${\displaystyle i^{4}=1}$，亦反映了${\displaystyle (-i)^{2}=-1}$、${\displaystyle (-i)^{3}=i}$ 和 ${\displaystyle (-i)^{4}=1}$。

其中，${\displaystyle 1}$ 代表單位元素，且 ${\displaystyle (-1)^{2}=1}$。對於每個元素 ${\displaystyle a\in Q}$，有 ${\displaystyle (-1)a=-a=a(-1)}$ 的關係。另外，

${\displaystyle i^{2}=j^{2}=k^{2}=ijk=-1}$

${\displaystyle Q}$ 的凱萊表如下：

	1	i	j	k	−1	−i	−j	−k
1	1	i	j	k	−1	−i	−j	−k
i	i	−1	k	−j	−i	1	−k	j
j	j	−k	−1	i	−j	k	1	−i
k	k	j	−i	−1	−k	−j	i	1
−1	−1	−i	−j	−k	1	i	j	k
−i	−i	1	−k	j	i	−1	k	−j
−j	−j	k	1	−i	j	−k	−1	i
−k	−k	−j	i	1	k	j	−i	−1

需要特別留意，這個群不是交換群，例如 ${\displaystyle ij=-ji\neq ji}$。${\displaystyle Q}$ 有著漢彌爾頓群較不常見的性質：每一個 ${\displaystyle Q}$ 的子群都是其正規子群，但這個群不是交換的。每一個漢彌爾頓群都會含有一個或多個 ${\displaystyle Q}$。

在抽象代數裡，可以造出一個其基底為 ${\displaystyle \{1,i,j,k\}}$ 的四維實向量空間，並使用上面的乘法表和分配律來形成一個結合代數，稱為一個四元數的除環。需要注意的是，這不是在 ${\displaystyle Q}$ 上的群代數（其應該是8維的）。相反地，也可以先由四元數開始，再「定義」出由八個元素 ${\displaystyle \{1,i,j,k,-1,-i,-j,-k\}}$ 所組成之乘法子群作為四元群。

${\displaystyle i,j,k}$ 都是 ${\displaystyle Q}$ 中階為4的元素，任意選擇其中兩個就可以生成出整個群。${\displaystyle Q}$ 有著下列的展現 (presentation)：

${\displaystyle \langle x,y\mid x^{4}=1,x^{2}=y^{2},yxy^{-1}=x^{-1}\rangle }$

其中可以取 ${\displaystyle i=x}$、${\displaystyle j=y}$ 及 ${\displaystyle k=xy}$。

${\displaystyle Q}$ 的中心及交換子群為 ${\displaystyle \{1,-1\}}$。其商群 ${\displaystyle Q/\{1,-1\}}$ 同構於克萊因四元群 (Klein four-group) ${\displaystyle V}$。而 ${\displaystyle Q}$的內自同構群 (Inner Automorphism Group) 同構於 ${\displaystyle Q}$ 同餘其中心，且因此也會同構於克萊因四元群。${\displaystyle Q}$ 的自同構群會同構於對稱群 ${\displaystyle S_{4}}$。${\displaystyle Q}$ 的外自同構群因此為 ${\displaystyle S_{4}/V\cong S_{3}}$。

四元群 ${\displaystyle Q}$ 亦可視為是作用於在有限體 ${\displaystyle \mathbf {GF} (3)}$ 上之二維向量空間的八個非零元素。關於其圖像，請見圖像化GL(2,p)（页面存档备份，存于互联网档案馆）。

廣義四元群

一個群若被稱為廣義四元群，則表示其有一個展現

${\displaystyle \langle x,y\mid x^{2^{n-1}}=1,x^{2^{n-2}}=y^{2},yxy^{-1}=x^{-1}\rangle }$

其中 ${\displaystyle n>3}$ 為整數。這個群的階為 ${\displaystyle 2^{n}}$。原本的四元群為 ${\displaystyle n=3}$ 時的特例。廣義四元群可以被理解為單位四元數的子群，其生成元 (generator) 為

${\displaystyle x=e^{2\pi i/2^{n-1}}}$

${\displaystyle y=j\,}$

廣義四元群是雙循環群此一更大類型的一類。廣義四元群有著每個交換子群都是循環群的性質。可證明一具有此性質（每個交換子群都是循環群）的有限p-群若不是循環群就是廣義四元群。

另見

• 四元數
• 克萊因四元群
• 雙循環群
• 赫爾維茨四元數
• 十六胞