浅析射影几何及其应用Word文档下载推荐.docx
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射影几何虽然不属于高考内容,射影几何与较为容易的中学几何具有更加抽象、难以理解的特点,但是射影几何所研究的图形的性质是极具有吸引力的,可以说是中学几何的一个延伸。
射影几何所研究的对象是图形的位置关系,和在射影变换下图形的性质。
射影,顾名思义,就是在光源(可以是平行光源或者是点光源),图形保持的性质。
在生活中,路灯下人的影子会被拉长,矩形和圆在光源照射下会出现平行四边形和椭圆的影子,图形的形状和大小发生了变化。
然而,在这种变换中图形之间的有些位置关系没有变,比如,相切的椭圆和直线在变换之后仍相切。
此外,射影几何最重要的概念之一——交比也不会发生改变。
在中学的几何中,我们认为两条平行的直线是不相交的。
但是在射影几何中,我们可以规定一簇平行直线相交于平面上一个无穷远点,而通过这个点的所有直线是一簇有确定方向的平行直线。
一条直线有且只有一个无穷远点,平面上方向不同的直线经过不同的无穷远点。
所有这样的无穷远点构成了一条无穷远直线,同样在三维空间中可类似地定义出无穷远平面,这样就扩充了两个公理:
1、过两点有且只有一条直线
2、两条直线有且只有一个交点
这两条公理对普通点(即非无穷远点)和无穷远点均成立。
这两条公里是何其相似,这与对偶原理有联系,实际上这是对偶原理的根本来源,其基本思想是:
把线和点看作是对等的两类元素,这在中学几何中几乎是无法理解的。
但是通过这样,可以将点和线定义成两种元素,两条公理可以统一为:
有且只有一个元素与另外两个不同种元素相关联。
这里“相关联”的意思是“点在直线上”或“直线通过点”。
所谓的射影变换,就是在一次或多次点光源或线光源的投影下进行的变换。
如图表示的是在点光源(O为光源,射影点)和平行光源下进行的射影变换。
下面引入交比的概念。
直线上四个点(可以是无穷远点)组成的点列(有顺序)A、B、C、D的交比定义为
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易于证明。
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:
XX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静电场对偶,电流密度矢量J与电位移矢量D,电流I与电荷量q对偶,描述的也是点与线的关系。
经典物理学中的最高成就,除了牛三大运动定律,就是麦克斯韦(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(AlbertEinstein,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:
1、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)。
2、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,e>
1时为双曲线,e<
1时为椭圆。
3、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。
4、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
5、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、c、d与O’的线束的对应直线有相同的交比,这一对应被称为线束之间的射影对应。
显然这是点与点之间的射影对应的对偶定义。
二次曲线的纯粹射影定义为:
二次曲线是射影对应的线束中相应直线交点的轨迹。
(二次曲线是点的轨迹)
射影定义的圆
射影定义的等轴双曲线(橙色渐近线)
用射影定义椭圆并不是很方便,因为交比并不是一个可以直接度量的量。
并且交比趋向无穷时,直线会收缩在第一个点处。
下面从另一个方面研究二次曲线的性质。
容易证明二次曲线这样一个基本的射影性质:
二次曲线任意的四个固定的切线与第五个切线的交点的交比,与第五个点的位置无关。
之所以说容易,是因为很容易在圆中证明这一性质,而射影后交比不变。
这个定理启发我们用上一个作图方法的对偶方法。
如果两条直线上的点存在着射影对应(无论它是怎么确定的),那么它上面的四对对应点有相同的交比。
这也被称做点类之间的射影对应。
它表明:
一个二次曲线K(看做是它的切线族)是由两条射影对应的直线对应点的连线组成的。
它与上面定义的椭圆有一个同样的弊端,即交比趋于无穷时,直线会收缩于一条定直线。
(二次曲线是线曲线)
比较一下上面两种定义方法:
Ⅰ一个二次曲线是由点集组成的:
它是两个射影对应的线束中对应直线的交点。
Ⅱ一个二次曲线是由直线集组成的:
它是两个射影对应的点类中连接对应点的直线。
以上两种定义方法都是有些复杂的,但是它却指出了这样一个结论:
五点确定一条二次曲线。
只要把其中两个点看做射影点,剩下三个点用于计算交比即可。
这是前几种非解析的定义办法中难以做到的。
5、布列安桑定理和帕斯卡定理
布列安桑定理:
六条边都和一条二次曲线相切的六边形的三条对角线三线共点。
帕斯卡定理:
二次曲线的内接六边形的三对对边(所在直线)的交点共线。
这里的六边形可以是任何形状,甚至是重叠的,这里的交点当然也包括无穷远点。
显然这两个定理是对偶的。
用其他初等几何的方法也可以给出这两个定理的证明,但是利用射影几何显得更为直接简洁。
我们可以把其中的一条边投影到无穷远处(这是允许的),从而只需对一个特殊情形进行证明。
但这里的证明技巧不是所要求的,感兴趣的同学可查阅相关资料。
6、二次曲线蝴蝶定理
蝴蝶定理:
设M为二次曲线的弦PQ的中点,过M作两条弦AB和CD,若AD和BC分别相交PQ于点X和Y,则M是XY的中点。
这个命题作为一个征解问题最早出现在1815年英国一本杂志《男士日记》。
登出的当年,英国一位自学成才的数学教师W.G.霍纳给出了第一个证明,证明过程完全是初等的;
另一证明由理查德·
泰勒给出。
另一种早期的证明由M.布兰德在《几何问题》(1827)一书中给出。
最为简便的证法是利用射影几何的证法(也就是我们要给出的证法),英国的J·
开世在(《近世几何学初编》,李俨译,上海商务印书馆,1956)给出,只用了一句话,就是线束的交比。
1981年,《Crux》杂志刊登K.萨蒂亚纳拉亚纳利用解析几何给出一种较为简单的方法(直线束和二次曲线束)。
三、总结
本次综合性学习的全部内容就是关于射影几何的基本知识,各个小组成员通力合作,积极思考,尽管在探究过程中不时遇到困难,但是在证明和绘图的技巧上进行了详细深入的讨论后,并且善于利用信息技术进行探究,最终各个问题都得到了圆满的解决,在此要向各位组员和提供宝贵建议的指导老师一并表示衷心的感谢。
通过这次研究性学习,大家对于经典几何学的一个重要分支——射影几何,进行了探究,增长了自己的知识面,同时加深了对数学的精华部分的理解和抽象思维能力,陶冶了数学情操,这对平时解题也是大有裨益的。
射影几何与中学几何的联系,给我们提供了解决中学几何问题的一些办法。
对射影几何有所了解,就可以站在更高层面上认识几何的本质、内在联系和研究方法。
总之,认识射影几何的基本特性、研究方法,加深空间的概念,可以为进一步学习近代数学奠定好基础。
在理论和实践结合上了解射影几何,就可以更深入掌握和驾驭中学几何的含义。
小组成员懂得射影几何和中学几何的内在联系,扩大了对几何学的眼界,就会有助于我们在几何学的全局与整体角度
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- 浅析 射影 几何 及其 应用
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