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.

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.

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.