Pfisters Sechzehn-Quadrate-Identität

In der Algebra ist Pfisters Sechzehn-Quadrate-Identität eine nicht-bilineare Identität der Form

${\displaystyle \left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+\cdots +x_{16}^{2}\right)\cdot \left(y_{1}^{2}+y_{2}^{2}+y_{3}^{2}+\cdots +y_{16}^{2}\right)=z_{1}^{2}+z_{2}^{2}+z_{3}^{2}+\cdots +z_{16}^{2}}$

Nicht-bilineare Identität bedeutet hier, dass es Formeln ${\displaystyle z_{i}=Z_{i}(x_{1},\ldots ,x_{16},y_{1},\ldots y_{16})}$ gibt und diese keine bilinearen Abbildungen in den Argumenten ${\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{16},y_{1},\ldots y_{16}}$ sind, sondern von etwas komplizierterer Natur, siehe unten.

Diese Identität wurde erstmals von H. Zassenhaus und W. Eichhorn in den 1960ern bewiesen^[1] und unabhängig und nahezu zeitgleich von Albrecht Pfister^[2]. Es gibt mehrere Versionen, eine kurze und prägnante ist die folgende:

${\displaystyle {\begin{array}{rcl}z_{1}&=&{\color {blue}{x_{1}y_{1}-x_{2}y_{2}-x_{3}y_{3}-x_{4}y_{4}-x_{5}y_{5}-x_{6}y_{6}-x_{7}y_{7}-x_{8}y_{8}}}+u_{1}y_{9}-u_{2}y_{10}-u_{3}y_{11}-u_{4}y_{12}-u_{5}y_{13}-u_{6}y_{14}-u_{7}y_{15}-u_{8}y_{16}\\z_{2}&=&{\color {blue}{x_{2}y_{1}+x_{1}y_{2}+x_{4}y_{3}-x_{3}y_{4}+x_{6}y_{5}-x_{5}y_{6}-x_{8}y_{7}+x_{7}y_{8}}}+u_{2}y_{9}+u_{1}y_{10}+u_{4}y_{11}-u_{3}y_{12}+u_{6}y_{13}-u_{5}y_{14}-u_{8}y_{15}+u_{7}y_{16}\\z_{3}&=&{\color {blue}{x_{3}y_{1}-x_{4}y_{2}+x_{1}y_{3}+x_{2}y_{4}+x_{7}y_{5}+x_{8}y_{6}-x_{5}y_{7}-x_{6}y_{8}}}+u_{3}y_{9}-u_{4}y_{10}+u_{1}y_{11}+u_{2}y_{12}+u_{7}y_{13}+u_{8}y_{14}-u_{5}y_{15}-u_{6}y_{16}\\z_{4}&=&{\color {blue}{x_{4}y_{1}+x_{3}y_{2}-x_{2}y_{3}+x_{1}y_{4}+x_{8}y_{5}-x_{7}y_{6}+x_{6}y_{7}-x_{5}y_{8}}}+u_{4}y_{9}+u_{3}y_{10}-u_{2}y_{11}+u_{1}y_{12}+u_{8}y_{13}-u_{7}y_{14}+u_{6}y_{15}-u_{5}y_{16}\\z_{5}&=&{\color {blue}{x_{5}y_{1}-x_{6}y_{2}-x_{7}y_{3}-x_{8}y_{4}+x_{1}y_{5}+x_{2}y_{6}+x_{3}y_{7}+x_{4}y_{8}}}+u_{5}y_{9}-u_{6}y_{10}-u_{7}y_{11}-u_{8}y_{12}+u_{1}y_{13}+u_{2}y_{14}+u_{3}y_{15}+u_{4}y_{16}\\z_{6}&=&{\color {blue}{x_{6}y_{1}+x_{5}y_{2}-x_{8}y_{3}+x_{7}y_{4}-x_{2}y_{5}+x_{1}y_{6}-x_{4}y_{7}+x_{3}y_{8}}}+u_{6}y_{9}+u_{5}y_{10}-u_{8}y_{11}+u_{7}y_{12}-u_{2}y_{13}+u_{1}y_{14}-u_{4}y_{15}+u_{3}y_{16}\\z_{7}&=&{\color {blue}{x_{7}y_{1}+x_{8}y_{2}+x_{5}y_{3}-x_{6}y_{4}-x_{3}y_{5}+x_{4}y_{6}+x_{1}y_{7}-x_{2}y_{8}}}+u_{7}y_{9}+u_{8}y_{10}+u_{5}y_{11}-u_{6}y_{12}-u_{3}y_{13}+u_{4}y_{14}+u_{1}y_{15}-u_{2}y_{16}\\z_{8}&=&{\color {blue}{x_{8}y_{1}-x_{7}y_{2}+x_{6}y_{3}+x_{5}y_{4}-x_{4}y_{5}-x_{3}y_{6}+x_{2}y_{7}+x_{1}y_{8}}}+u_{8}y_{9}-u_{7}y_{10}+u_{6}y_{11}+u_{5}y_{12}-u_{4}y_{13}-u_{3}y_{14}+u_{2}y_{15}+u_{1}y_{16}\\z_{9}&=&x_{9}y_{1}-x_{10}y_{2}-x_{11}y_{3}-x_{12}y_{4}-x_{13}y_{5}-x_{14}y_{6}-x_{15}y_{7}-x_{16}y_{8}+x_{1}y_{9}-x_{2}y_{10}-x_{3}y_{11}-x_{4}y_{12}-x_{5}y_{13}-x_{6}y_{14}-x_{7}y_{15}-x_{8}y_{16}\\z_{10}&=&x_{10}y_{1}+x_{9}y_{2}+x_{12}y_{3}-x_{11}y_{4}+x_{14}y_{5}-x_{13}y_{6}-x_{16}y_{7}+x_{15}y_{8}+x_{2}y_{9}+x_{1}y_{10}+x_{4}y_{11}-x_{3}y_{12}+x_{6}y_{13}-x_{5}y_{14}-x_{8}y_{15}+x_{7}y_{16}\\z_{11}&=&x_{11}y_{1}-x_{12}y_{2}+x_{9}y_{3}+x_{10}y_{4}+x_{15}y_{5}+x_{16}y_{6}-x_{13}y_{7}-x_{14}y_{8}+x_{3}y_{9}-x_{4}y_{10}+x_{1}y_{11}+x_{2}y_{12}+x_{7}y_{13}+x_{8}y_{14}-x_{5}y_{15}-x_{6}y_{16}\\z_{12}&=&x_{12}y_{1}+x_{11}y_{2}-x_{10}y_{3}+x_{9}y_{4}+x_{16}y_{5}-x_{15}y_{6}+x_{14}y_{7}-x_{13}y_{8}+x_{4}y_{9}+x_{3}y_{10}-x_{2}y_{11}+x_{1}y_{12}+x_{8}y_{13}-x_{7}y_{14}+x_{6}y_{15}-x_{5}y_{16}\\z_{13}&=&x_{13}y_{1}-x_{14}y_{2}-x_{15}y_{3}-x_{16}y_{4}+x_{9}y_{5}+x_{10}y_{6}+x_{11}y_{7}+x_{12}y_{8}+x_{5}y_{9}-x_{6}y_{10}-x_{7}y_{11}-x_{8}y_{12}+x_{1}y_{13}+x_{2}y_{14}+x_{3}y_{15}+x_{4}y_{16}\\z_{14}&=&x_{14}y_{1}+x_{13}y_{2}-x_{16}y_{3}+x_{15}y_{4}-x_{10}y_{5}+x_{9}y_{6}-x_{12}y_{7}+x_{11}y_{8}+x_{6}y_{9}+x_{5}y_{10}-x_{8}y_{11}+x_{7}y_{12}-x_{2}y_{13}+x_{1}y_{14}-x_{4}y_{15}+x_{3}y_{16}\\z_{15}&=&x_{15}y_{1}+x_{16}y_{2}+x_{13}y_{3}-x_{14}y_{4}-x_{11}y_{5}+x_{12}y_{6}+x_{9}y_{7}-x_{10}y_{8}+x_{7}y_{9}+x_{8}y_{10}+x_{5}y_{11}-x_{6}y_{12}-x_{3}y_{13}+x_{4}y_{14}+x_{1}y_{15}-x_{2}y_{16}\\z_{16}&=&x_{16}y_{1}-x_{15}y_{2}+x_{14}y_{3}+x_{13}y_{4}-x_{12}y_{5}-x_{11}y_{6}+x_{10}y_{7}+x_{9}y_{8}+x_{8}y_{9}-x_{7}y_{10}+x_{6}y_{11}+x_{5}y_{12}-x_{4}y_{13}-x_{3}y_{14}+x_{2}y_{15}+x_{1}y_{16}\end{array}}}$

Setzt man alle ${\displaystyle x_{i}}$ und ${\displaystyle y_{i}}$ mit ${\displaystyle i>8}$ gleich 0, so reduzieren sich diese Identitäten auf Degens Acht-Quadrate Satz (in blau). Die ${\displaystyle u_{i}}$ sind

${\displaystyle {\begin{array}{rcl}u_{1}&=&{\frac {1}{c}}(ax_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2})x_{9}-2x_{1}(bx_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16})\\u_{2}&=&{\frac {1}{c}}(x_{1}^{2}+ax_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2})x_{10}-2x_{2}(x_{1}x_{9}+bx_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16})\\u_{3}&=&{\frac {1}{c}}(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+ax_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2})x_{11}-2x_{3}(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+bx_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16})\\u_{4}&=&{\frac {1}{c}}(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+ax_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2})x_{12}-2x_{4}(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+bx_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16})\\u_{5}&=&{\frac {1}{c}}(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+ax_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2})x_{13}-2x_{5}(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+bx_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16})\\u_{6}&=&{\frac {1}{c}}(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+ax_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2})x_{14}-2x_{6}(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+bx_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16})\\u_{7}&=&{\frac {1}{c}}(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+ax_{7}^{2}+x_{8}^{2})x_{15}-2x_{7}(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+bx_{7}x_{15}+x_{8}x_{16})\\u_{8}&=&{\frac {1}{c}}(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+ax_{8}^{2})x_{16}-2x_{8}(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+bx_{8}x_{16})\end{array}}}$

wobei

${\displaystyle a=-1,\;\;b=0,\;\;c=x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2}\,.}$

Die Identität zeigt, dass im Allgemeinen das Produkt zweier Summen von sechzehn Quadraten wieder die Summe von sechzehn rationalen Quadraten ist. Nebenbei erfüllen die ${\displaystyle u_{i}}$ noch die Gleichung

${\displaystyle u_{1}^{2}+u_{2}^{2}+u_{3}^{2}+u_{4}^{2}+u_{5}^{2}+u_{6}^{2}+u_{7}^{2}+u_{8}^{2}=x_{9}^{2}+x_{10}^{2}+x_{11}^{2}+x_{12}^{2}+x_{13}^{2}+x_{14}^{2}+x_{15}^{2}+x_{16}^{2}}$

Es gibt keine Sechzehn-Quadrate-Identität, bei der die ${\displaystyle z_{i}}$ bilinear von den ${\displaystyle x_{i}}$ und ${\displaystyle y_{i}}$ abhängen, denn der Kompositionssatz von Hurwitz besagt, dass eine Identität der Form

${\displaystyle (x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+\cdots +x_{n}^{2})\cdot (y_{1}^{2}+y_{2}^{2}+y_{3}^{2}+\cdots +y_{n}^{2})=z_{1}^{2}+z_{2}^{2}+z_{3}^{2}+\cdots +z_{n}^{2}}$,

bei der die ${\displaystyle z_{i}}$ bilineare Funktionen der ${\displaystyle x_{i}}$ und ${\displaystyle y_{i}}$ sind, nur für ${\displaystyle n\in \{1,2,4,8\}}$ möglich ist.

Allerdings zeigt der allgemeinere Satz von Pfister (1965), dass wenn die ${\displaystyle z_{i}}$ rationale Funktionen in einem Satz der Variablen sind, solche Identitäten für ${\displaystyle n=2^{m}}$ möglich sind.^[3] Es gibt auch nicht-bilineare Versionen von Eulers Vier-Quadrate-Identität und von Degens Acht-Quadrate-Identität.

• Brahmagupta-Identität
• Sedenion

1. ↑ H. Zassenhaus and W. Eichhorn: Herleitung von Acht- und Sechzehn-Quadrate-Identitäten mit Hilfe von Eigenschaften der verallgemeinerten Quaternionen und der Cayley-Dicksonchen Zahlen, Arch. Math. 17 (1966), 492–496
2. ↑ A. Pfister: Zur Darstellung von -1 als Summe von Quadraten in einem Körper, J. London Math. Soc. 40 (1965), 159–165
3. ↑ Keith Conrad: Pfister's Theorem on Sums of Squares

• Pfister's 16-Square Identity