交比(cross ratio)是射影
几何学中基本的射影不变量之一。一般是用共线的四个点来定义的,亦称之为调和比。属于射影几何学。早在古希腊,数学家和天文学家就注意到这一比值的特性。约公元100年,门内劳斯在《球面学》中用到了球面上的大圆弧相交的一个性质,类似于截线的交比不变性,用圆弧所对角的
正弦比值来表示。点列交比的公理化定义,共线四点A,B,C,D的齐次坐标分别为a,b,a+xb,a+yb,(A≠B),记(AB|CD)表示这四点构成的交比。对于一条
圆锥曲线C,任取上面一个点P,那么对于C上另外四个点,线束P(A,B,C,D)的交比取值同P的选取无关。于是,这个交比可以定义为圆锥曲线C上四点A,B,C,D的交比,同样可以极为(AB|CD). 反之,我们也可以采用这里的交比不变性作为圆锥曲线C的定义,也就是给定平面四个点A,B,C,D,其中任意三点不共线,那么使得线束P(A,B,C,D)的交比取
常数的P点轨迹是一条圆锥曲线。
简介
交比(cross ratio)
射影
几何学中基本的射影不变量之一。一般是用共线的四个点来定义的,亦称之为调和比。早在古希腊,数学家和天文学家就注意到这一比值的特性。约公元100年,门内劳斯在《球面学》中用到了球面上的大圆弧相交的一个性质,类似于截线的交比不变性,用圆弧所对角的
正弦比值来表示。公元4世纪,
帕波斯在《
数学汇编》中明确阐述了一种交比的性质:设有四条线交于一点,则从一条线上的一点出发的截线所截点之间的交比
相等。到19世纪,
施泰纳、施陶特等数学家已将交比作为他们的射影几何理论的基本工具,证明了四个共线点的交比在射影变换下不变的特性。
特性
点列交比的公理化定义,共线四点A,B,C,D的齐次坐标分别为记表示这四点构成的交比。定义为,.点偶AB叫做基点对,点偶CD叫做分点对。
若四点齐次坐标分别为可以证明,。其初等几何意义为,注意右边的线段长度是有向的。
交比具有射影不变性。
证明此性质,需要引入线束交比。类比点列交比的定义,我们可以自然的引入线束交比的定义。共点四线a,b,c,d,的齐次坐标为.记表示这四线构成的交比。定义为,
.同样的,我们有:若四线齐次坐标分别为 ,可以证明, (1)。引入线束交比的初等几何意义,我们可以从我们熟知的直角
坐标系入手。设为一线束,记其斜率为,倾角为,有(1)式可得,.注:表示到的角,是有向的。
证明:交比是射影不变量。
证明(初等几何的证明):令线束O(a,b,c,d)分别交l于ABCD。.又考察各对应有
向量方向相同,故原式成立。
由此可知,点列的交比与其对应线束的交比是相同的。保持线束不变,取另一直线l'交线束与A'B'C'D'.可视为对l作射影变换,,由此说明交比是射影不变量。
上述说明在欧式平面内存在诸多漏洞,例如若p1//l,则没有交点。但是,在射影几何完整的公理化体系中有无穷远点和无穷远直线,拓广实数集等无穷元素来“弥补”。而这些元素更是射影几何的精华。
如上是对交比的说明,接近其公理化定义。
补充:若交比为-1,则称为调和比。以点列ABCD为例,称此为调和点列,也称点偶AB,CD相互
调和共轭(调和分离),或称D为ABC的第四调和点。
同样,我们还可以定义
圆锥曲线上四个点的交比。对于一条圆锥曲线C,任取上面一个点P,那么对于C上另外四个点,线束的交比取值同P的选取无关。于是,这个交比可以定义为圆锥曲线C上四点A,B,C,D的交比,同样可以极为. 反之,我们也可以采用这里的交比不变性作为圆锥曲线C的定义,也就是给定平面四个点A,B,C,D,其中任意三点不共线,那么使得线束的交比取
常数的P点轨迹是一条圆锥曲线。
参考资料
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