Введение
Модель гиперболической геометрии В геометрии модель БелтрамиКлейна, также называемая проективной моделью, моделью диска Клейна и моделью КейлиКлейна, представляет собой модель гиперболической геометрии, в которой точки представлены точками внутри единичного диска (или n-мерного единичного шара), а линии представлены аккордами, прямыми сегментами с идеальными конечными точками на граничной сфере. Модель БелтрамиКлейн названа в честь итальянского геометра Эухенио Белтрами и немецкого Феликса Клейна, в то время как "Кейли" в модели КейлиКлейн относится к английскому геометру Артуру Кэйли. Модель БелтрамиКлейна аналогична гномонической проекции сферической геометрии, в которой геодезические (большие круги в сферической геометрии) нанесены на прямые линии. Эта модель неконформальна, то есть углы и круги искажены, тогда как модель диска Понкаре сохраняет их. В этой модели линии и сегменты являются прямыми евклидовыми сегментами, тогда как в модели диска Понкаре линии являются дугами, которые встречаются с границей по ортогоне.
In geometry, the Beltrami–Klein model, also called the projective model, Klein disk model, and the Cayley–Klein model, is a model of hyperbolic geometry in which points are represented by the points in the interior of the unit disk (or n dimensional unit ball) and lines are represented by the chords, straight line segments with ideal endpoints on the boundary sphere. The Beltrami–Klein model is named after the Italian geometer Eugenio Beltrami and the German Felix Klein while "Cayley" in Cayley–Klein model refers to the English geometer Arthur Cayley. The Beltrami–Klein model is analogous to the gnomonic projection of spherical geometry, in that geodesics (great circles in spherical geometry) are mapped to straight lines. This model is not conformal, meaning that angles and circles are distorted, whereas the Poincaré disk model preserves these. In this model, lines and segments are straight Euclidean segments, whereas in the Poincaré disk model, lines are arcs that meet the boundary orthogonally.
История
Эта модель впервые появилась для гиперболической геометрии в двух мемуарах Евгенио Белтрами, опубликованных в 1868 году, сначала для измерения 1 = n = 2, а затем для общего n. Эти очерки доказали равносоответствие гиперболической геометрии обычной евклидовой геометрии. Документы Белтрами оставались малозаметными до недавнего времени, и модель была названа в честь Кляйна ("Модель диска Кляйна"). Это произошло следующим образом. В 1859 году Артур Кейли использовал определение уголного сечения, полученное Лагером, чтобы показать, как можно определить геометрию Евклида с помощью проективной геометрии. Его определение расстояния позже стало известно как метрика Кейли. В 1869 году молодой (двадцатилетний) Феликс Клейн познакомился с работой Кейли. Он вспомнил, что в 1870 году он выступил с речью о работе Кейли на семинаре Вейерштрасса и написал: "Я закончил с вопросом, может ли существовать связь между идеями Кейли и Лобачевского. Мне ответили, что эти две системы концептуально сильно разные". Позже Феликс Клейн понял, что идеи Кейли приводят к проективной модели неевклидовой плоскости. Как говорит Клейн, "я позволил себе убедиться в этих возражениях и отбросил эту уже зрелую идею". Однако в 1871 году он вернулся к этой идее, сформулировал ее математически и опубликовал.
"I finished with a question whether there might exist a connection between the ideas of Cayley and Lobachevsky. I was given the answer that these two systems were conceptually widely separated." Later, Felix Klein realized that Cayley's ideas give rise to a projective model of the non Euclidean plane. As Klein puts it, "I allowed myself to be convinced by these objections and put aside this already mature idea." However, in 1871, he returned to this idea, formulated it mathematically, and published it.
Свойства
Аккорды, которые встречаются на границе круга, ограничивают параллельные линии. Две струны перпендикулярны, если при протяжении за пределы диска каждая проходит через полюс другой. (Полюс аккорда - это ультраидеальная точка: точка за пределами диска, где встречаются тангенсы к диску в конечностях аккорда.) Аккорды, проходящие через центр диска, имеют свой полюс в бесконечности, ортогонально направлению аккорды (это подразумевает, что прямоугольники по диаметру не искажены).
Компасные и прямоугольные конструкции
Вот как можно использовать конструкции компаса и прямого края в модели для достижения эффекта основных конструкций в гиперболической плоскости. Полюс линии. Хотя полюс не является точкой в гиперболической плоскости (это ультра-идеальная точка), большинство конструкций будут использовать полюс прямой в одном или нескольких направлениях. Для прямой: постройте тангенсы к пограничному кругу через идеальные (конечные) точки прямой. точка, где эти тангенсы пересекаются, - это полюс. Для диаметров диска: полюс находится в бесконечности перпендикулярно диаметру. Чтобы построить перпендикулярную к данной прямой через данную точку, нарисуйте луч от полюса прямой через данную точку. Часть луча, которая находится внутри диска, является перпендикулярной. Когда линия - это диаметр диска, то перпендикуляр - это струна, которая (евклидова) перпендикулярна этому диаметру и проходит через данную точку. Чтобы найти середину данного сегмента: Нарисуйте линии через А и В, которые перпендикулярны (см. выше) Нарисуйте линии, соединяющие идеальные точки этих линий, две из этих линий пересекут сегмент и сделают это в одной точке. Эта точка является (гиперболической) средней точкой. Чтобы разрезать вдвое данный угол: Нарисуйте лучи AB и AC. Нарисуйте тангенсы к кругу, где лучи пересекают границу круга. Нарисуй линию от А до точки, где пересекаются тангенсы. Часть этой прямой между А и пограничным кругом является бисектором. Общая перпендикулярная двух линий - это струна, которая при протяжении проходит через оба полюса струны. Когда одна из струн имеет диаметр пограничного круга, то общая перпендикулярная - это струна, которая перпендикулярна диаметру и которая при удлинении проходит через полюс другой струны. Чтобы отразить точку P в прямой l: Из точки R на прямой l нарисуем луч через P. Пусть X будет идеальной точкой, где луч пересекает абсолют. Нарисуйте луч от полюса прямой l через X, пусть Y будет другой идеальной точкой, которая пересекает луч. Нарисуй сегмент RY. Отражение точки P - это точка, где луч от полюса линии l через P пересекает RY.
Круги, гиперциклы и гороциклы
В то время как линии в гиперболической плоскости легко нарисовать в модели диска Клейна, это не так с кругами, гиперциклами и хороциклами. Круги (набор всех точек в плоскости, которые находятся на заданном расстоянии от заданной точки, ее центра) в модели становятся эллипсами, все более сглаживающимися по мере того, как они становятся ближе к краю. Также углы в модели диска Клейна деформированы. Для конструкций в гиперболической плоскости, содержащих круги, гиперциклы, хороциклы или не прямоугольные углы, лучше использовать модель диска Понкаре или модель полуплоскости Понкаре.
Отношение модели диска к модели гиперболоида
И гиперболоидная модель, и модель диска Клейна являются моделями гиперболической плоскости. Диск Клейна (K, на картинке) представляет собой гномоническую проекцию гиперболоидной модели (Hy) с центром гиперболоида (O) и плоскостью проекции, касающейся ближайшей точки гиперболоида.