Кіріспе

Проективті геометриядағы проективті кеңістіктердің изоморфизмі – математикалық ұғым. Проективті геометрияда гомография – проективті кеңістіктердің изоморфизмі, проективті кеңістіктер туындаған векторлық кеңістіктердің изоморфизмімен шақырылады. Бұл сызықтарды сызықтарға бейнелейтін биекция және осылайша коллинеация болып табылады. Жалпы, кейбір коллинеациялар гомографиялар емес, бірақ проективті геометрияның негізгі теоремасы кем дегенде екі өлшемді нақты проективті кеңістіктерде мұндай болмайтынын көрсетеді. Синонимдеріне проективтілік, проективті трансформация және проективті коллинеация жатады. Тарихи тұрғыдан алғанда, гомографиялар (және проективті кеңістіктер) Евклид геометриясындағы перспектива мен проекцияларды зерттеу үшін енгізілді, ал этимологиялық тұрғыдан алғанда, шамамен «ұқсас сурет салу» деген мағынаны білдіретін гомография термині осы кезеңге жатады. 19 ғасырдың соңында проективті кеңістіктердің ресми анықтамалары енгізілді, олар Евклидтік және аффиндік кеңістіктерді шексіз нүктелер деп аталатын жаңа нүктелерді қосу арқылы кеңейтті. «Проективті трансформация» термині осы абстрактілі құралымдарда пайда болды. Бұл құралымдар эквивалентті екені дәлелденген екі классқа бөлінеді. Проективті кеңістік берілген өрістегі векторлық кеңістіктің түзулерінің жиынтығы ретінде құрастырылуы мүмкін (жоғарыдағы анықтама осы нұсқаға негізделген); бұл құралым проективті координаттарды анықтауды жеңілдетеді және гомографияларды зерттеу үшін сызықтық алгебраның құралдарын пайдалануға мүмкіндік береді. Балама тәсіл проективті кеңістікті аксиомалар жиынтығы арқылы анықтаудан тұрады, олар нақты бір өрісті қамтымайды (инциденттік геометрия, сондай-ақ синтетикалық геометрияны қараңыз); осы контексте коллинеацияларды гомографиялардан анықтау оңай, ал гомографиялар белгілі бір коллинеация ретінде анықталады, сондықтан «проективті коллинеация» деп аталады. Айқындылық үшін, егер басқаша көрсетілмесе, осы мақалада қарастырылатын проективті кеңістіктер (коммутативтік) өріс үстінде анықталған деп есептеледі. Эквивалентті түрде Папптың алтыбұрышты теоремасы мен Десарг теоремасының дұрыс болуы қабылданады. Көптеген нәтижелер бұрынғыдай сақталады немесе осы теоремалар орындалмаған проективті геометрияларға жалпылауға болады.

Геометриялық мотивация

Тарихи тұрғыдан алғанда, гомография ұғымы визуалды перспективаны түсіну, түсіндіру және зерттеу үшін енгізілген, әсіресе екі жазық нысанның әртүрлі көзқарастан қаралғандағы көрініс айырмашылығын. Үш өлшемді Евклид кеңістігінде, O нүктесінен (орталықтан) O-ны қамтымайтын P жазықтығына жасалатын орталық проекция – бұл A нүктесін OA сызығы мен P жазықтығының қиылыс нүктесіне (егер мұндай нүкте болса) бейнелейді. Егер A нүктесі O нүктесі арқылы өтетін және P жазықтығына параллель жазықтықта жатса, проекция анықталмайды. Проективті кеңістік ұғымы бастапқыда Евклид кеңістігін кеңейту арқылы енгізілді, яғни оған шексіз нүктелерді қосу арқылы, O нүктесінен басқа әрбір нүкте үшін проекцияны анықтау мақсатында. О-ны қамтымайтын тағы бір Q жазықтығын қарастыратын болсақ, жоғарыдағы проекцияның Q-ға шектелуі перспектива деп аталады. Мұндай анықтама бойынша перспектива тек ішінара функция болып табылады, бірақ проективті кеңістікке кеңейтілген жағдайда биекцияға айналады. Сондықтан бұл ұғым әдетте проективті кеңістік үшін анықталады. Бұл ұғым кез келген өлшемдегі проективті кеңістікке, кез келген өріс үшін келесідей оңай жалпыланады: Егер f – P-ден Q-ға дейінгі перспектива, ал g – Q-дан P-ге дейінгі перспектива болса және олардың орталықтары әртүрлі болса, онда g ⋅ f – P-ден өзіне дейінгі гомография болады, және P-нің өлшемдері кем дегенде екі болғанда, бұл орталық коллинеация деп аталады. (Төмендегіге және басқаға қараңыз.) Бастапқыда гомография шекті сандағы перспективалардың композициясы ретінде анықталды. Бұл анықтама кіріспеде сипатталған және төменде егжей-тегжейлі берілген алгебралық анықтамамен сәйкес келетін проективті геометрияның негізгі теоремасының бір бөлігі болып табылады (төменде қараңыз).

Жобалы сызықтың гомографиясы

K өрісіндегі проекциялық түзуді K пен бір нүктенің бірігуі ретінде қарастыруға болады, бұл нүкте "шетсіз нүкте" деп аталады және ∞ (Проекциялық түзуді қараңыз) символымен белгіленеді. Проекциялық түзудің осы бейнеленуімен гомографиялар – гомографиялық функциялар немесе сызықтық бөлшектік түрлендірулер деп аталатын бейнелеулер болып табылады. Егер проекциялық түзу Риман сферасымен сәйкес келсе, онда гомографиялар Мёбиус түрлендірулері деп аталады. Бұл Риман сферасының бағытын сақтайтын және конформдық болатын өзара тең бейнелеулерімен сәйкес келеді. Коллинеацияларды зерттеуде проекциялық түзулердің жағдайы кішкентай өлшемге байланысты ерекше болып табылады. Егер түзуді жеке проективті кеңістік ретінде қарастырсақ, онда проекциялық түзудің нүктелерінің кез келген өзгерісі коллинеация болып табылады, себебі нүктелердің кез келген жиыны коллинеар болады. Дегенмен, егер проекциялық түзу жоғары өлшемді проективті кеңістікке енгізілген болса, онда осы кеңістіктің геометриялық құрылымын түзуге геометриялық құрылым енгізу үшін пайдалануға болады. Осылайша, синтетикалық геометрияда проекциялық түзудің гомографиялары мен коллинеациялары жоғары өлшемді кеңістіктердің коллинеациялары мен гомографияларының түзуге шектелуі арқылы алынады. Бұл проективті геометрияның негізгі теоремасы (төменде қараңыз) бір өлшемді жағдайда да қолданыста болатынын білдіреді. Проекциялық түзудің гомографиясын бейнелеудің қиылыс қатынастарын сақтайтынын талап ету арқылы да дұрыс анықтауға болады.

Жобалаушы кадр мен координаттар

n өлшемді проективті кеңістіктің проективті шеңбері немесе проективті негізі – бұл n + 2 нүктенің реттелген жиынтығы, сондықтан ешқандай гипержазықтықта олардың n + 1 саны жоқ. Проективті шеңбер кейде симплекс деп аталады, бірақ n өлшемді кеңістіктегі симплекстің ең көп дегенде n + 1 төбесі бар. Бұл бөлімде K коммутативті өрісі бойынша проективті кеңістіктер қарастырылады, бірақ көптеген нәтижелер бөліну сақинасы бойынша проективті кеңістікке жалпылауға болады. P(V) n өлшемді проективті кеңістік болсын, мұнда V – n + 1 өлшемді K векторлық кеңістігі, ал – нөлден өзге векторды оны қамтитын векторлық түзуге бейнелейтін канондық проекция болсын. P(V) әрбір шеңбері үшін V-тің негізі бар, сондықтан шеңбер , және бұл негіз барлық элементтерін K-ның нөлден өзге элементіне көбейтуге дейін бірегей. Керісінше, егер V-тің негізі болса, онда P(V) шеңбері болады. Осыдан екі шеңбер берілген болса, біріншісін екіншісіне бейнелейтін дәл бір гомография бар. Атап айтқанда, шеңбердің нүктелерін бекітетін жалғыз гомография – сәйкестік бейнесі. Бұл нәтиже синтетикалық геометрияда (онда проективті кеңістіктер аксиомалар арқылы анықталады) әлдеқайда қиын. Кейде оны проективті геометрияның бірінші негізгі теоремасы деп атайды. Кез келген шеңбер проективті координаттарды, сондай-ақ гомогенді координаттарды анықтауға мүмкіндік береді: кез келген нүкте p(v) деп жазылуы мүмкін; осы шеңбердегі p(v) проективті координаттары – v-нің негіздегі координаттары. e және v-ні өзгерту, шеңберді де, p(v)-ді де өзгертусіз, проективті координаттарды K-ның нөлден өзге элементіне көбейтуді қамтамасыз ететінін тексеру қиын емес. Проективті кеңістіктің канондық шеңбері Kn+1-дің канондық негізінің (элементтері тек бір нөлден өзге жазбаға ие, ол 1-ге тең) бейнесінен және (1, 1, …, 1) тұрады. Осы негізде p(v)-нің гомогенді координаттары – v-нің жазбалары (коэффициенттері). Бір өлшемді басқа проективті кеңістік P(V) және оның F шеңбері берілген болса, F-ті канондық шеңберге бейнелейтін бір және бір ғана гомография h бар. F шеңберіндегі a нүктесінің проективті координаттары – h(a)-ның канондық шеңбердегі гомогенді координаттары.

Орталық түйіспелер

Жоғарыда аталған бөлімдерде гомографиялар сызықтық алгебра арқылы анықталды. Синтетикалық геометрияда олар дәстүрлі түрде орталық коллинеациялар деп аталатын бір немесе бірнеше арнайы гомографиялардың құрамы ретінде анықталады. Бұл екі анықтама тең екендігі проективті геометрияның негізгі теоремасының бір бөлігі болып табылады. n ≥ 2 өлшемді проективті кеңістікте P, P-нің коллинеациясы P-ден P-ге сызықтарды сызықтарға бейнелейтін биекция болып табылады. Орталық коллинеация (дәстүрлі түрде бұларды перспективалар деп атаған, бірақ бұл термин басқа мағынаға ие, шатастыратын болуы мүмкін; Перспектива қараңыз) – P-ден P-ге дейінгі α биекциясы, мұнда H гипержазықтығы (α осі деп аталады), α арқылы өзіне-өзі бейнеленеді (яғни, H-дегі барлық X нүктелері үшін 1=α(X) = X) және O нүктесі (α орталығы деп аталады), α арқылы сызықтық түрде бейнеленеді (O арқылы өтетін кез келген түзу α арқылы өзіне-өзі бейнеленеді, бірақ міндетті түрде нүктелік емес). Орталық коллинеацияның екі түрі бар. Элациялар – орталығы осімен қиылыспайтын орталық коллинеациялар, ал гомологиялар – орталығы осімен қиылыспайтын орталық коллинеациялар. Орталық коллинеация оның орталығы, осі және орталықтан өзгеше және осіне жатпайтын кез келген P нүктесінің α(P) бейнесі арқылы толық анықталады. (Кез келген басқа Q нүктесінің α(Q) бейнесі O және Q арқылы анықталатын түзудің, α(P) арқылы өтетін түзумен және P және Q арқылы анықталатын түзудің осьпен қиылысы болып табылады.) Орталық коллинеация – (n+1) × (n+1) матрицамен анықталатын, n өлшемді өзіндік кеңістігі бар гомография. Егер матрицаның басқа өзіндік мәні болса және демек, диагональдастырылса, ол гомология болып табылады. Егер барлық өзіндік мәндер тең болса және матрица диагональдастырылмаса, ол элация болып табылады. Орталық коллинеацияның геометриялық көрінісін проективті жазықтықта қарастыру оңай. Орталық коллинеация α берілген болсын, O ортасы арқылы өтпейтін ℓ түзуін және оның α астындағы бейнесін қарастырайық. α осі M түзуі R нүктесі арқылы өтеді. α астындағы ℓ түзуінің кез келген A нүктесінің бейнесі OA мен ℓ түзуінің қиылысы болып табылады. ℓ түзуіне жатпайтын B нүктесінің бейнесін келесідей құрастыруға болады: 1=S = AB ∩ M, содан кейін… Екі орталық коллинеацияның құрамы, жалпы алғанда, гомография болғанымен, орталық коллинеация емес. Шындығында, кез келген гомография орталық коллинеациялардың шекті санынан тұрады. Синтетикалық геометрияда проективті геометрияның негізгі теориясының бір бөлігі болып табылатын бұл қасиет гомографиялардың анықтамасы ретінде қабылданады.

Жобалау геометриясының негізгі теоремасы

Омографиядан басқа да түйіспелер бар. Атап айтқанда, F өрісінің кез келген өрістік автоморфизмі σ, проективті кадрдағы нүктенің барлық біртекті координаттарына σ қолданылып, F үстіндегі әрбір проективті кеңістіктің коллинеациясын тудырады. Бұл коллинеациялар автоморфты коллинеациялар деп аталады. Проективті геометрияның негізгі теоремасы келесі үш теоремадан тұрады. P проективті кеңістігінің екі проективті фреймі берілгенде, бірінші фреймді екінші фреймге бейнелейтін P-нің дәл бір гомографиясы болады. Егер проективті кеңістіктің өлшемі кем дегенде екі болса, P-нің кез келген коллинеациясы автоморфты коллинеация мен гомографияның композициясы болады. Атап айтқанда, нақты сандар үстінде кем дегенде екі өлшемді проективті кеңістіктің кез келген коллинеациясы гомография болып табылады. Кез келген гомография – перспективалардың шекті санының композициясы. Атап айтқанда, егер қарастырылып отырған проективті кеңістіктің өлшемі кем дегенде екі болса, кез келген гомография орталық коллинеациялардың шекті санының композициясы болады. Егер проективті кеңістіктер аксиомалар (синтетикалық геометрия) арқылы анықталса, үшінші бөлік – жай ғана анықтама. Ал егер проективті кеңістіктер сызықтық алгебра арқылы анықталса, бірінші бөлік анықтамалардан туындайтын оңай салдар болып табылады. Сондықтан синтетикалық геометриядағы бірінші бөліктің дәлелі және сызықтық алгебрадағы үшінші бөліктің дәлелі – проективті кеңістіктерді анықтаудың екі тәсілінің эквиваленттілігін дәлелдеудің негізгі қадамдары болып табылады.

Гомографиялық топтар

Әрбір гомографияның кері бейнелеуі бар және екі гомографияның композициясы да гомография болатындықтан, берілген проективті кеңістіктің гомографиялары топты құрайды. Мысалы, Мёбиус тобы кез келген комплекс проективті түзудің гомографиялық тобы болып табылады. Бір өлшемдегі бір өрістегі барлық проективті кеңістіктер изоморфты болғандықтан, олардың гомографиялық топтары да солай. Сондықтан олар бірнеше кеңістіктерде әрекет ететін бір топ ретінде қарастырылады және нақты проективті кеңістікті емес, өлшем мен өріс ғана белгіде көрсетіледі. Гомографиялық топтар, сондай-ақ проективті сызықтық топтар деп аталады, олар PGL(n + 1, F) деп белгіленеді, егер олар n өлшемді проективті кеңістікте F өрісінде әрекет етсе. Гомографиялардың жоғарыдағы анықтамасы PGL(n + 1, F) GL(n + 1, F) / F×I коэффициенттік тобына тең екенін көрсетеді, мұнда GL(n + 1, F) – инвертирленетін матрицалардың жалпы сызықтық тобы, ал F×I – (n + 1) × (n + 1) өлшеміндегі бірлік матрицаның F өрісінің нөлден өзге элементіне көбейтінділерінің тобы. Егер F Галуа өрісі GF(q) болса, онда гомографиялық топ PGL(n, q деп жазылады. Мысалы, PGL(2, 7) шекті өріс GF(7) үстіндегі проективті түзудегі сегіз нүктеге әсер етеді, ал PGL(2, 4), ол ауыспалы A5 тобына изоморфты, бес нүктелі проективті түзудің гомографиялық тобы болып табылады. Гомографиялық топ PGL(n + 1, F) – n өлшемді проективті кеңістіктің коллинеацияларының коллинеациялық тобы PΓL(n + 1, F) –ның кіші тобы. Егер проективті кеңістіктің нүктелері мен түзулері блоктық дизайн ретінде қарастырылса, оның блоктары – бір түзуде орналасқан нүктелер жиыны, онда коллинеациялық топты дизайнның автоморфизм тобы деп атау қалыпты жағдай.

Көлденең қатынасы

Төрт коллинейлік нүктенің көлденең арақатынасы – түзулердің гомографиясын зерттеу үшін маңызды болып табылатын гомографияға қатысты инвариант. F өрісіндегі проективтік түзудегі үш әртүрлі нүкте a, b және c осы түзудің проективтік шеңберін құрайды. Сондықтан, a-ны ∞-ға, b-ны 0-ға, ал c-ны 1-ге бейнелейтін осы түзудің бірегей h гомографиясы бар. Егер бір түзудегі төртінші нүкте берілген болса, онда a, b, c және d төрт нүктенің көлденең арақатынасы, [a, b; c, d] деп белгіленеді, ол h(d) элементіне тең болады. Яғни, егер d нүктенің (a, b, c) проективтік шеңберіндегі біртекті координаттары [k: 1] болса, онда 1 = [a, b; c, d] = k.