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浅析射影几何及其应用
需要注意的是这里的线段都是有向线段,即需先规定直线的正方向。交比的最基本的性质是:在射影变换下交比不变。
交比的不变性在射影几何中有广泛的应用,在二次曲线中也有涉及。并且,若两条直线上的对应点都具有交比不变的性质,那么这个对应无论是怎么确定的(即使是非投影的方法)都可叫做射影对应。与此同时,我们还可定义出直线列、面列的交比,都可变成一条直线通过他们时的四个交点的交比,这里不详尽讨论。
2、笛沙格定理
笛沙格定理有空间和平面两种形式,但其本质是相同的,内容如下:
两个(或同一个)平面内有两个三角形ABC、DEF,设它们的对应顶点(A和D、B和E、C和F)的连线交于一点,这时如果对应边或其延长线相交,则这三个交点共线
空间形式的笛沙格定理的逆定理也成立,可以用同一法给出证明:
值得一提的是,笛沙格定理的对偶定理是它的逆定理。
平面中的笛沙格定理可以看做是空间图形“压下去了”,但是实际叙述中有很大难度,是否严谨也有待考究。平面中的证明需要用到梅涅劳斯定理,利用它也可以对空间图形进行证明。由于超出高考范围,这里不再深究,感兴趣的同学可以查阅资料进行探究。
以上是平面中笛沙格定理的一个证明。
来源:百度百科
3、对偶原理
对偶原理是射影几何中最引人注目的一个结论之一。其思想的精髓所在,早已超出了经典几何学,延伸到物理、化学等学科中。
在数学中,对偶原理被描述为:如果在一个射影几何学定理(正确的)中把点与直线的概念对换一下,把点的共线定义换成线的共点定义,所得命题仍然是正确的。这就是为什么要将点和线之间的关系描述为“相关联的”。下面所要介绍的布列安桑定理和帕斯卡定理就是一组对偶定理。(梅涅劳斯定理虽然和塞瓦定理形式相似,但他们属于度量几何学,不属于射影几何学的范畴)
物理学中对偶原理也有应用。例如在电磁学中,均匀导电媒质中的恒定电场与均匀介质中的电场对偶,电流密度矢量电位移矢量,电流I与电对偶J.Maxwell,1831-1879)方程组,具有极强的对称性,描述了电与磁之间的关系。只可惜天妒英才,这位伟大的物理学家在1865年提出后不久就去世了。在爱因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)提出相对论后,许多经典物理学中的公式和定义被改写(包括牛顿三大定律,甚至对空间和时间的概念),惟一没有变化的就是麦克斯韦方程组。具有优美数学形式,描述了自然界的本质的方程,历经沧桑之后仍能保持其本质,也是理所当然的。对偶原理是自然界最基本的原理之一,事实上,能够被称为“原理”的命题寥寥无几。
4、二次曲线在射影几何上的应用
二次曲线是解析几何中研究的一个重要内容,有许多种定义方法。为了更好研究它的性质,给出几种定义方法:
平面中与两个定点、的距离之和等于定值的动点P的轨迹叫做椭圆。这是我们最熟悉的一种椭圆的定义方式。同样,到两个定点的距离之差为定值的点的轨迹称为双曲线。这两个定点叫做焦点。抛物线的焦点可以理解在一个无穷远点处。我们初中学过的反比例函数的图像也叫做双曲线,和这里的双曲线是不是一样呢?事实上,反比例函数是双曲线的一种特殊形式:等轴双曲线。对勾函数实际上也是双曲线,并且有两条对称轴(以前可能以为它只有对称中心)。
平面内到定点F的距离与到定直线的距离之比为定值e的点的轨迹。e就是我们熟悉的离心率,定点就是二次曲线的焦点,e=1时为抛物线,e1时为双曲线,e1时为椭圆。
到两个顶点斜率之积为定值的点的轨迹。定值大于0时为双曲线,小于0为椭圆。特别地,定值为-1时为圆。
几何定义:用一个平面去截一个上下圆锥面,得到的交线就是二次曲线。因为这个定义,二次曲线也被叫做圆锥曲线。圆锥曲线这个名词实际上更常用一些。
将第一种定义与这种定义统一有一个非常巧妙的证明:丹德林的球
形如的方程表示的曲线叫二次曲线。这就是二次曲线的解析定义。二次曲线和这种方程是一一对应的。
下面将从两个对偶的方面研究二次曲线的射影定义。
圆是一种特殊的圆锥曲线,圆锥曲线可以定义为:一个圆在平面上的投影。但这并不是纯粹的射影定义,因为圆是度量几何的内容。众所周知,圆有一个这样的度量性质:一给定圆弧对的圆周角相等。考虑圆周上的四个点A、B、C、D,它就和交比这个射影的概念有关了。连接四个点与圆上的第五点O的四条直线a,b,c,d将有交比(ab,cd)并且这个交比不取决于O点的位置。现在把圆射影成任意二次曲线K,交比在射影中是不变的,这样引出:把二次曲线K上任意四点A、B、C、D和第五个点O用直线a、b、c、d连接起来,交比与O的位置无关。二次曲线这些射影性质,启发了我们对二次曲线的作图采取更一般的方法:先定义通过O的所有直线为一线束。二次曲线上有O,O’两点,通过他们的线束可以建立这样的一一对应:O的线束的任意四条直线a、b、
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