Перекрестное соотношение - Cross-ratio

Точки А, B, C, D и А′, B′, C′, D′ Связаны проективным преобразованием, поэтому их перекрестные отношения, (А, B; C, D) и (А′, B′; C′, D′) равны.

В геометрия, то перекрестное соотношение, также называемый двойное соотношение и ангармонический коэффициент, это число, связанное со списком из четырех коллинеарен точки, особенно точки на проективная линия. Учитывая четыре балла А, B, C и D на линии их поперечное отношение определяется как

где ориентация линии определяет знак каждого расстояния, а расстояние измеряется в проекции на Евклидово пространство. (Если одна из четырех точек является бесконечно удаленной точкой прямой, то два расстояния, включающие эту точку, исключаются из формулы.) D это гармоническое сопряжение из C относительно А и B точно, если кросс-отношение четверки равно -1, что называется коэффициент гармоник. Таким образом, кросс-отношение можно рассматривать как измерение четверного отклонения от этого отношения; отсюда и название ангармонический коэффициент.

Кросс-соотношение сохраняется дробно-линейные преобразования. По сути, это единственный проективный инвариантный четверки коллинеарных точек; это лежит в основе его важности для проективная геометрия.

Перекрестное отношение было определено в глубокой древности, возможно, уже Евклид, и был рассмотрен Паппус, который отметил его ключевое свойство инвариантности. Он широко изучался в 19 веке.[1]

Варианты этой концепции существуют для четверки совпадающих прямых на проективной плоскости и четверки точек на плоскости. Сфера РиманаМодель Кэли-Клейна из гиперболическая геометрия, расстояние между точками выражается через определенное поперечное отношение.

Терминология и история

D это гармоническое сопряжение из C относительно А и B, так что кросс-отношение (А, B; C, D) равно -1.

Папп Александрийский неявно использовал понятия, эквивалентные перекрестному соотношению в его Коллекция: Книга VII. Включены ранние пользователи Pappus Исаак Ньютон, Мишель Часлес, и Роберт Симсон. В 1986 году Александр Джонс сделал перевод оригинала Паппа, а затем написал комментарий о том, как леммы Паппа соотносятся с современной терминологией.[2]

Современное использование поперечного отношения в проективной геометрии началось с Лазар Карно в 1803 году с его книгой Géométrie de Position. Используемый термин был le rapport anharmonique (Fr: ангармонический коэффициент). Немецкие геометры называют это das Doppelverhältnis (Гер: двойное соотношение).

Учитывая три точки на линии, четвертая точка, которая делает кросс-отношение равным минус единице, называется проективное гармоническое сопряжение. В 1847 г. Карл фон Штаудт назвал конструкцию четвертой точки a бросить (Вурф), и использовал конструкцию для демонстрации арифметики, неявной в геометрии. Его Алгебра бросков обеспечивает подход к численным предложениям, обычно принимаемым как аксиомы, но доказанным в проективной геометрии.[3]

Английский термин «кросс-отношение» был введен в 1878 г. Уильям Кингдон Клиффорд.[4]

Определение

Кросс-отношение четверки различных точек на реальная линия с координатами z1z2z3z4 дан кем-то

Его также можно записать как «двойное соотношение» двух соотношений деления троек баллов:

Кросс-отношение обычно распространяется на случай, когда одно из z1z2z3z4 является бесконечность это делается путем удаления соответствующих двух отличий из формулы.

Например: если кросс-отношение становится:

В геометрии, если А, B, C и D являются коллинеарными точками, то поперечное отношение определяется аналогично

где каждое из расстояний подписано в соответствии с последовательной ориентацией линии.

Те же формулы можно применить к четырем разным сложные числа или, в более общем смысле, к элементам любого поле и может быть расширен на случай, когда один из них является символом ∞, удалив соответствующие два отличия из формулы. Формула показывает, что кросс-отношение есть функция из четырех точек, обычно четыре числа взято с поля.

Характеристики

Поперечное отношение четырех коллинеарных точек А, B, C, D можно записать как

где описывает соотношение, с которым точка C делит отрезок линии AB, и описывает соотношение, с которым точка D делит тот же отрезок линии. Затем перекрестное отношение появляется как отношение соотношений, описывающих, как две точки C, D расположены относительно отрезка AB. Пока точки А, B, C и D различны, поперечное отношение (А, B; C, D) будет ненулевым действительным числом. Мы легко можем сделать вывод, что

  • (А, B; C, D) <0 тогда и только тогда, когда одна из точек C, D лежит между точками А, B а другой не
  • (А, B; C, D) = 1 / (А, B; D, C)
  • (А, B; C, D) = (C, D; А, B)
  • (А, B; C, D) ≠ (А, B; C, E) ↔ DE

Шесть перекрестных соотношений

Четыре точки можно заказать в 4! = 4 × 3 × 2 × 1 = 24 способов, но есть только шесть способов разбить их на две неупорядоченные пары. Таким образом, четыре точки могут иметь только шесть различных перекрестных отношений, которые связаны следующим образом:

Проективная геометрия

Использование перекрестные отношения в проективная геометрия для измерения реальных размеров объектов, изображенных на перспективная проекция. A, B, C, D и V - точки на изображении, их расстояние указано в пикселях; A ', B', C 'и D' находятся в реальном мире, их разделение в метрах.
  • В (1) ширина переулка W вычисляется на основе известной ширины соседних магазинов.
  • В (2) нужна ширина только одного магазина, так как точка схода, V видна.

Кросс-отношение - это проективный инвариантный в том смысле, что он сохраняется проективные преобразования проекционной линии.

В частности, если четыре точки лежат на прямой L в р2 тогда их перекрестное отношение является четко определенной величиной, потому что любой выбор начала координат и даже шкалы на линии даст такое же значение перекрестного отношения.

Кроме того, пусть {Lя | 1 ≤ я ≤ 4} - четыре различные прямые на плоскости, проходящие через одну и ту же точку Q. Тогда любая строка L не проходя через Q пересекает эти прямые в четырех различных точках пя (если L является параллельно к Lя тогда соответствующая точка пересечения находится «на бесконечности»). Оказывается, соотношение этих точек (взятых в фиксированном порядке) не зависит от выбора линии. L, а значит, он является инвариантом набора из четырех прямых {Lя}.

Это можно понять так: если L и L′ Две прямые, не проходящие через Q затем трансформация перспективы из L к L′ С центром Q - проективное преобразование, переводящее четверку {пя} точек на L в четверку {пя′} Точек на L′.

Следовательно, инвариантность перекрестного отношения относительно проективных автоморфизмов прямой влечет (фактически, эквивалентна) независимость перекрестного отношения четырех коллинеарен точки {пя} в строках {Lя} от выбора строки, в которой они находятся.

Определение в однородных координатах

Если четыре коллинеарных точки представлены в однородные координаты по векторам абcd такой, что c = а + б и d = ка + б, то их кросс-отношение равноk.[5]

Роль в неевклидовой геометрии

Артур Кэли и Феликс Кляйн нашли применение кросс-отношения к неевклидова геометрия. Учитывая неособое конический C в реальном проективная плоскость, его стабилизатор гC в проективная группа г = PGL (3, р) действует переходно по точкам в интерьере C. Однако есть инвариант для действия гC на пары очков. Фактически, каждый такой инвариант можно выразить как функцию соответствующего поперечного отношения.[нужна цитата ]

Гиперболическая геометрия

Явно, пусть коника будет единичный круг. Для любых двух точек п, Q, внутри единичного круга. Если соединяющая их линия пересекает круг в двух точках, Икс и Y и точки по порядку Икс, п, Q, Y. Тогда гиперболическое расстояние между п и Q в Модель Кэли – Клейна из гиперболическая плоскость можно выразить как

(коэффициент, равный половине, необходим, чтобы кривизна −1). Поскольку поперечное отношение инвариантно относительно проективных преобразований, гиперболическое расстояние инвариантно относительно проективных преобразований, сохраняющих конику C.

Наоборот, группа г действует транзитивно на множестве пар точек (п, q) в единичном круге на фиксированном гиперболическом расстоянии.

Позже, отчасти под влиянием Анри Пуанкаре, кросс-отношение четырех сложные числа на круге использовалась для гиперболической метрики. Находиться на круге означает, что четыре точки являются изображением четырех реальных точек под Преобразование Мёбиуса, а значит, кросс-отношение является действительным числом. В Модель полуплоскости Пуанкаре и Модель диска Пуанкаре две модели гиперболической геометрии в сложная проективная линия.

Эти модели являются экземплярами Метрики Кэли – Клейна.

Ангармоническая группа

Перекрестное отношение может быть определено любым из этих четырех выражений:

Они отличаются следующими перестановки переменных:

Эти три и тождественная перестановка оставляют неизменным перекрестное отношение. Они составляют реализацию Кляйн четыре группы, а группа порядка 4, в котором порядок каждого неединичного элемента равен 2.

Другие перестановки четырех переменных изменяют перекрестное отношение, так что оно может принимать любое из следующих шести значений.

В зависимости от λ, они образуют неабелеву группу порядка 6 с операцией композиции функций. Это ангармоническая группа. Это подгруппа группы всех Преобразования Мебиуса. Шесть перечисленных выше поперечных отношений представляют собой элементы кручения (геометрически, эллиптические преобразования ) из PGL (2, Z). А именно, , , и порядка 2 в PGL (2, Z), с участием фиксированные точки соответственно -1, 1/2 и 2 (а именно орбита гармонического поперечного отношения). Между тем элементы и имеют порядок 3 в PGL (2, Z) - в PSL (2, Z) (это соответствует подгруппе А3 четных элементов). Каждый из них фиксирует оба значения "наиболее симметричного" поперечного отношения.

Ангармоническая группа порождается λ ↦ 1/λ и λ ↦ 1 − λ. Его действие на {0, 1, ∞} дает изоморфизм с S3. Это также может быть реализовано как шесть упомянутых преобразований Мёбиуса,[6] что дает проективный представление S3 над любым полем (поскольку оно определяется с помощью целочисленных записей) и всегда является точным / инъективным (поскольку никакие два термина не отличаются только на 1 / −1). Над полем с двумя элементами проективная прямая имеет только три точки, поэтому это представление является изоморфизмом и исключительный изоморфизм . В характеристике 3 это стабилизирует точку , что соответствует орбите гармонического поперечного отношения, состоящей только из одной точки, поскольку . Над полем с 3 элементами проективная линия имеет только 4 точки и , и, таким образом, представление является в точности стабилизатором гармонического поперечного отношения, что дает вложение равняется стабилизатору точки .

Роль четырехгруппы Клейна

На языке теория групп, то симметричная группа S4 действует на перекрестное отношение путем перестановки координат. В ядро этого действия изоморфно Кляйн четыре группы К. Эта группа состоит из двухцикловых перестановок типа (помимо тождества), сохраняющие кросс-соотношение. Тогда эффективная группа симметрии - это факторгруппа , которая изоморфна S3.

Исключительные орбиты

Для определенных значений λ будет большая симметрия и, следовательно, меньше шести возможных значений перекрестного отношения. Эти значения λ соответствуют фиксированные точки действия S3 на сфере Римана (заданной указанными выше шестью функциями); или, что то же самое, точки с нетривиальным стабилизатор в этой группе перестановок.

Первый набор фиксированных точек {0, 1, ∞}. Однако кросс-отношение никогда не сможет принять эти значения, если точки А, B, C и D все разные. Эти значения являются предельными значениями при приближении одной пары координат друг к другу:

Второй набор фиксированных точек {−1, 1/2, 2}. Это то, что классически называют гармоническое поперечное отношение, и возникает в проективные гармонические сопряжения. В реальном случае других исключительных орбит нет.

В сложном случае наиболее симметричное поперечное отношение имеет место, когда . Тогда это единственные два значения перекрестного отношения, и на них действуют в соответствии со знаком перестановки.

Трансформационный подход

Кросс-отношение инвариантно относительно проективные преобразования линии. В случае сложный проективная линия, или Сфера Римана эти преобразования известны как Преобразования Мебиуса. Общее преобразование Мёбиуса имеет вид

Эти преобразования образуют группа играет роль на Сфера Римана, то Группа Мебиуса.

Проективная инвариантность кросс-отношения означает, что

Кросс-отношение равно настоящий тогда и только тогда, когда четыре точки либо коллинеарен или конциклический, отражая тот факт, что каждое преобразование Мёбиуса отображает обобщенные круги в обобщенные круги.

Действие группы Мёбиуса есть просто переходный на множестве троек различных точек сферы Римана: для любой упорядоченной тройки различных точек, (z2, z3, z4), существует уникальное преобразование Мёбиуса ж(z), который отображает его в тройку (1, 0, ∞). Это преобразование удобно описать с помощью перекрестного отношения: поскольку (z, z2, z3, z4) должен равняться (ж(z), 1; 0, ∞), что, в свою очередь, равно ж(z), мы получаем

Альтернативное объяснение инвариантности кросс-отношения основано на том факте, что группа проективных преобразований линии порождается переводами, гомотетиями и мультипликативной инверсией. Различия zjzk инвариантны относительно переводы

где а это постоянный в наземном поле F. Кроме того, коэффициенты деления инвариантны относительно гомотетия

для ненулевой константы б в F. Следовательно, кросс-отношение инвариантно относительно аффинные преобразования.

Чтобы получить четко определенный инверсионное отображение

аффинную линию нужно дополнить точка в бесконечности, обозначенную ∞, образующую проективную прямую п1(F). Каждое аффинное отображение ж : FF однозначно продолжается до отображения п1(F) в себя, что фиксирует бесконечно удаленную точку. Карта Т меняет местами 0 и ∞. Проективная группа Сгенерированно с помощью Т а аффинные отображения продолжаются на п1(F). В этом случае F = C, то комплексная плоскость, это приводит к Группа Мебиуса. Поскольку кросс-отношение также инвариантно относительно Т, он инвариантен относительно любого проективного отображения п1(F) в себя.

Описание координат

Если мы запишем комплексные точки как векторы и определить , и разреши быть скалярным произведением с , то действительная часть кросс-отношения определяется выражением:

Это инвариант 2D специальное конформное преобразование например инверсия .

Мнимая часть должна использовать двумерное векторное произведение

Кольцо омография

Концепция кросс-отношения зависит только от кольцо операции сложения, умножения и инверсии (хотя инверсия данного элемента не определена в кольце). Один подход к кросс-соотношению интерпретирует его как омография который переводит три обозначенные точки в 0, 1 и бесконечность. При ограничениях, связанных с инверсиями, можно сгенерировать такое отображение с кольцевыми операциями в проективная прямая над кольцом. Перекрестное отношение четырех баллов является оценкой этой гомографии в четвертой точке.

Дифференциально-геометрическая точка зрения

Теория приобретает аспект дифференциального исчисления, когда четыре точки сближаются. Это приводит к теории Производная Шварца, и в более общем плане проективные связи.

Многомерные обобщения

Перекрестное отношение не обобщается простым образом на более высокие измерения из-за других геометрических свойств конфигураций точек, в частности коллинеарности - конфигурационные пространства сложнее и отчетливее k-набор точек не входит общая позиция.

В то время как проективная линейная группа проективной прямой является 3-транзитивной (любые три различные точки могут быть отображены в любые другие три точки), и действительно просто 3-транзитивной (существует уникальный проективное отображение, переводящее любую тройку в другую тройку), с перекрестным отношением, таким образом, являющимся единственным проективным инвариантом набора из четырех точек, существуют основные геометрические инварианты в более высокой размерности. Проективная линейная группа п-Космос имеет (п + 1)2 - 1 размер (потому что это проективизация, удаляющая одно измерение), но в других измерениях проективная линейная группа является только 2-транзитивной - потому что три коллинеарных точки должны отображаться в три коллинеарных точки (что не является ограничением в проективной прямой) - и, таким образом, нет " обобщенное кросс-отношение ", обеспечивающее уникальный инвариант п2 точки.

Коллинеарность - не единственное геометрическое свойство конфигураций точек, которое необходимо поддерживать - например, пять точек определяют конус, но шесть общих точек не лежат на конике, поэтому любой набор из шести точек, лежащий на конике, также является проективным инвариантом. Можно изучать орбиты точек в общая позиция - в строке «общее положение» эквивалентно различению, в то время как в более высоких измерениях это требует геометрических соображений, как обсуждалось, - но, как указано выше, это более сложно и менее информативно.

Однако обобщение на Римановы поверхности положительных род существует, используя Карта Абеля – Якоби и тета-функции.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Теорема об ангармоническом отношении линий появилась в работе Паппус, но Мишель Часлес, приложившие немалые усилия для восстановления утраченных произведений Евклид, утверждал, что ранее это фигурировало в его книге Поризмы.
  2. ^ Александр Джонс (1986) Книга 7 Сборника, часть 1: введение, текст, перевод ISBN  0-387-96257-3, часть 2: комментарий, указатель, рисунки ISBN  3-540-96257-3, Springer-Verlag
  3. ^ Говард Ивс (1972) Обзор геометрии, Пересмотренное издание, стр. 73, Аллин и Бэкон
  4. ^ W.K. Клиффорд (1878) Элементы Динамики, книги I, II, III, стр. 42, Лондон: MacMillan & Co; он-лайн презентация Корнелл Университет Исторические математические монографии.
  5. ^ Ирвинг Каплански (1969). Линейная алгебра и геометрия: второй курс. ISBN  0-486-43233-5.
  6. ^ Чандрасекхаран, К. (1985). Эллиптические функции. Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften. 281. Springer-Verlag. п. 120. ISBN  3-540-15295-4. Zbl  0575.33001.

Рекомендации

внешняя ссылка