射影幾何學(xué)的復(fù)興(四)

代數(shù)的射影幾何學(xué)

代數(shù)幾何學(xué)家也在發(fā)展射影幾何學(xué),最早出現(xiàn)的新代數(shù)概念是現(xiàn)在所說的齊次坐標(biāo)恢氯,莫比烏斯(August Ferdinand M?bius,1790-1868)建立了一個方案,他跟高斯滚粟、哈密爾頓一樣搞天文和數(shù)學(xué)甲锡,雖然沒參與綜合法和代數(shù)法之爭,但是在代數(shù)方面做了貢獻(xiàn)吩愧。
他從一個固定的三角形出發(fā),對平面內(nèi)任一點(diǎn)P增显,考慮在三角形三個頂點(diǎn)上各放多少質(zhì)量能使三個質(zhì)量的重心在點(diǎn)P雁佳,就取這三個量為P的坐標(biāo)。當(dāng)P在三角形外時(shí)部分坐標(biāo)可以為負(fù)的。當(dāng)三個質(zhì)量乘以同一個常數(shù)時(shí)P仍為質(zhì)心糖权。所以在莫比烏斯的方案中堵腹,點(diǎn)的坐標(biāo)不唯一,而三個坐標(biāo)之比是確定的星澳。用于空間點(diǎn)時(shí)需要四個坐標(biāo)秸滴,在這個坐標(biāo)系里寫的曲線和曲面方程是齊次的(各項(xiàng)次數(shù)相同)。
莫比烏斯把從平面到平面或空間到空間的變換分類募判,如果對應(yīng)的圖形相等,變換是迭合變換咒唆,如果對應(yīng)的圖形相似届垫,變換是相似變換。如果保持平行性但不保持長度和形狀全释,變換是仿射變換(歐拉引入的概念)装处,最普遍的變換是直線到直線的變換,稱為直射變換浸船。莫比烏斯證明每個直射變換是一個射影變換妄迁,即能從一連串透視變換得出,該證明假定變換是一對一且連續(xù)的李命,但連續(xù)性條件能減弱登淘。莫比烏斯給出這種交換的一種解析表達(dá)式,他指出可以在上述每一類型變換下考慮圖形的不變性質(zhì)封字。
莫比烏斯對面積和體積也引入了帶正負(fù)號的元素黔州,因此對同一線上四點(diǎn)的帶正負(fù)號的交比給出了完善處理。他指出下圖線束中四條線的交比可以用頂點(diǎn)P處各角的正弦表示為:\frac{\sin APB}{\sin APC}/\frac{\sin BPD}{\sin CPD}阔籽,該比值與任何斜截線所截四點(diǎn)A,B,C,D的交比相同流妻,所以交比在投影與截影下不改變。

共線四點(diǎn)的交比

莫比烏斯還緩慢地發(fā)展了其它概念笆制,但沒有明顯進(jìn)展绅这。

普呂克(Julius Plücker,1801-1868)賦予代數(shù)射影幾何活力和效率。1836年起他在波恩當(dāng)數(shù)學(xué)與物理教授在辆,他主要是一個實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家证薇,有許多著名發(fā)現(xiàn),1863年后他重新投身于數(shù)學(xué)开缎。
普呂克也引入了齊次坐標(biāo)棕叫,他的第一個概念是三線坐標(biāo),從一個固定三角形出發(fā)奕删,任一點(diǎn)P的坐標(biāo)取P到三角形各邊帶正負(fù)號的垂直距離俺泣,各距離可以乘以同一個常數(shù),后來他引入一種特殊情況,相當(dāng)于把三角形一條邊看成無窮遠(yuǎn)直線伏钠,等價(jià)于把通常的笛卡爾坐標(biāo)x,y換成x=x1/x3和y=x2/x3横漏,變換后曲線方程對x1,x2,x3齊次,這個概念后來得到了廣泛使用熟掂。
普呂克利用齊次坐標(biāo)和關(guān)于齊次函數(shù)的歐拉定理缎浇,若f(tx1,tx2,tx3)=t''f(x1,x2,x3)則x_1\frac{\partial f}{\partial x_1}+x_2\frac{\partial f}{\partial x_2}+x_3\frac{\partial f}{\partial x_3}=nf(x_1,x_2,x_3),給幾何概念以優(yōu)美的代數(shù)表示赴肚,例如若f(x1,x2,x3)=0是一個圓錐曲線的方程素跺,其中(x1,x2,x3)是圓錐曲線上點(diǎn)的坐標(biāo),那么方程x_1'\frac{\partial f}{\partial x_1}+x_2'\frac{\partial f}{\partial x_2}+x_3'\frac{\partial f}{\partial x_3}=0誉券,把x1',x2',x3'看成流動坐標(biāo)時(shí)指厌,可以解釋為點(diǎn)(x1,x2,x3)處的切線方程,當(dāng)把x1,x2,x3看成流動坐標(biāo)時(shí)踊跟,可以解釋為任意點(diǎn)(x1',x2',x3')相對于該圓錐曲線的極線方程踩验。
利用齊次坐標(biāo),普呂克給出無窮遠(yuǎn)線商玫、圓上無窮遠(yuǎn)點(diǎn)和其它概念的代數(shù)表示箕憾。在齊次坐標(biāo)系(x1,x2,x3)中,無窮遠(yuǎn)線的方程是x3=0拳昌,在射影幾何里沒毛病袭异,而歐幾里得平面的尋常點(diǎn)落在有窮處,因?yàn)閤=x1/x3,y=x2/x3炬藤,不得不令無窮遠(yuǎn)點(diǎn)x3=0扁远。
通過x=x1/x3,y=x2/x3引入齊次笛卡爾坐標(biāo)x1,x2,x3后,圓的方程(x-a)^2+(y-b)^2=r^2變成(x_1-ax_3)^2+(x_2-bx_3)^2=r^2x_3^2刻像,由于無窮遠(yuǎn)線的方程是x3=0畅买,這條線與圓的交點(diǎn)由x_1^2+x_2^2=0,x_3=0確定,圓上無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)是(1,i,0)和(1,-i,0)细睡,類似地谷羞,球上無窮遠(yuǎn)圓的方程是x_1^2+x_2^2+x_3^2=0,x_4=0
如果把直線方程寫成齊次形式(用x,y,z代替x1,x2,x3)Ax+By+Cz=0溜徙,并且要求直線過點(diǎn)(x1,y1,z1)和(1,i,0)湃缎,則該線的非齊次方程是x-x0+i(y-y0)=0,其中x0=x1/z1,y0=y1/z1蠢壹。同樣嗓违,通過(x1,y1,z1)和(1,-i,0)的線的方程是x-x0-i(y-y0)=0。索菲斯·李(Marius Sophus Lie)稱之為飄渺線图贸,現(xiàn)在稱為迷向線蹂季。
普呂克從代數(shù)上處理偶性后得到了一個漂亮的概念:線坐標(biāo)冕广。如果一條直線在齊次坐標(biāo)中的方程是ux+vy+wz=0,u,v,w或與它們成比例的三個數(shù)就是這條線的坐標(biāo)偿洁。于是像正象限f(x1,x2,x3)=0表示一些點(diǎn)的集體撒汉,f(u,v,w)=0表示一些線的集體或一個線曲線。
普呂克利用線坐標(biāo)給對偶原理一個代數(shù)表述和證明涕滋,給定任一方程f(r,s,t)=0睬辐,如果把r,s,t解釋為點(diǎn)的齊次坐標(biāo)x1,x2,x3,就能得到一個點(diǎn)曲線方程宾肺,如果把它們解釋為u,v,w溯饵,就得到對偶的線曲線,用代數(shù)過程證明的關(guān)于點(diǎn)曲線的任何一個性質(zhì)都能引出線曲線的對偶性锨用,因?yàn)樵谧兞康膬煞N解釋下瓣喊,代數(shù)是相同的。
1830年普呂克還指出黔酥,看作點(diǎn)集合的曲線同時(shí)也能看成曲線切線的集合,因?yàn)榍芯€也像點(diǎn)一樣確定了曲線形狀洪橘。切線族是一條線曲線跪者,在線坐標(biāo)中有一個方程,這個方程的次數(shù)稱為曲線的類數(shù)熄求,而曲線在點(diǎn)坐標(biāo)中的方程次數(shù)叫做曲線的階數(shù)渣玲。

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