17.2: Проективна модель
Наступна картинка ілюструє карту,P↦ˆP описану в попередньому розділі — якщо ви зробите знімок ліворуч і застосуєте картуP↦ˆP, ви отримаєте зображення праворуч. Картинки є конформною та проективною моделями гіперболічної площини відповідно. КартаP↦ˆP - це «переклад» з одного на інший.
У проективній моделі все виглядає інакше; одні стають простішими, інші ускладнюються.
h-лінії в проективній моделі є акордами абсолюту; точніше, акорди без його кінцевих точок.
Це спостереження може бути використано для перенесення тверджень про лінії та точки з евклідової площини на h-площину. Як приклад наведемо гіперболічну версію теореми Паппуса для h-площини.
Припустимо, що дві трійки h-точокA,BC, і,A′B′,C′ в h-площині є h-колінеарними. Припустимо, що h-точкиXY, іZ визначаються
X=(BC′)h∩(B′C)h,Y=(CA′)h∩(C′A)h,Z=(AB′)h∩(A′B)h.
Тоді точкиX,Y,Z h-колінеарні.
У проективній моделі це твердження випливає відразу з оригінальної теореми Паппуса 15.6.2. Те ж саме можна зробити і для теореми Десарьє 15.6.1. Цей же аргумент показує, що побудова дотичної лінії з лінійкою, описаної лише у вправі 15.8.2, працює і в h-площині.
З іншого боку, зауважте, що довести це твердження за допомогою конформної моделі зовсім непросто.
H-кола та рівновіддалені в проективній моделі є певним типом еліпсів та їх відкритими дугами.
Випливає, оскільки стереографічна проекція посилає кола на площині до кіл на одиничній сфері, а проекція точки стопи кола назад на площину є еліпсом. (Можна визначити еліпс як проекцію точки стопи кола.)
Розглянемо пару h-точокP іQ. ABДозволяти і бути ідеальною точкою h-лінії в проективній моделі; тобтоA іB є перетинами евклідової лінії(PQ) з абсолютом.
Тоді Лемма 17.1.1,
припускаючи, що точкиA,P,Q,B з'являються на лінії в тому ж порядку.
Кутові заходи в проективній моделі сильно відрізняються від евклідових кутів, і це важко зрозуміти, дивлячись на картину. (Ідея, описана в розв'язанні вправи 16.3.1 та в ескізі доказу теореми 19.4.1, може бути використана для побудови багатьох проективних перетворень цього типу.) Наприклад, всі пересічні h-лінії на малюнку перпендикулярні.
Є два корисних винятку:
- OЯкщо центр абсолюту, то∡hAOB=∡AOB.
- ЯкщоO центр абсолюту і∡OAB=±π2, то
∡hOAB=∡OAB=±π2.
Щоб знайти міру кута в проективній моделі, ви можете застосувати рух h-площини, яка переміщує вершину кута до центру абсолюту; як тільки це буде зроблено, гіперболічний та евклідовий кути мають однакову міру.
Рухи h-площини в конформній та проективній моделям однаково актуальні для інверсивних перетворень та проективного перетворення. А саме:
- Інверсивні перетворення, що зберігають h-площину, описують рухи h-площини в конформній моделі.
- Проективні перетворення, що зберігають h-площину, описують рухи h-площини в проективній моделі. 1
Наступна вправа - гіперболічний аналог вправи 16.5.1. Це перший приклад твердження, яке допускає більш легкий доказ за допомогою проективної моделі.
ДозволятиP іQ бути точки в h-площині, які лежать на однаковій відстані від центру абсолюту. Зверніть увагу, що в проективній моделі h-середня точка[PQ]h збігається з серединою Евкліда[PQ]h.
Зробіть висновок, що якщо h-трикутник вписаний в h-коло, то його медіани зустрічаються в одній точці.
Нагадаємо, що h-трикутник може бути також вписаний в гороцикл або рівновіддалений. Подумайте, як довести заяву в цьому випадку.
- Підказка
-
Спостереження слід, оскільки відображення через перпендикулярну бісектрису[PQ] - це рух евклідової площини, а також рух h-площини. Без втрати спільності можна вважати, що центр окружності збігається з центром абсолюту. При цьому h-медіани трикутника збігаються з евклідовими медіанами. Залишилося застосувати теорему 8.3.1.
mДозволятиℓ і є h-лініями в проективній моделі. Нехайs іt позначають евклідові лінії дотичні до абсолюту в ідеальних точкахℓ. Покажітьs, що якщо лініїt і розширенняm перетинаються в одній точці, тоℓ іm є перпендикулярними h-лініями.
- Підказка
-
Нехайˆℓ іˆm позначають h-лінії в конформної моделі, які відповідаютьℓ іm. Потрібно показати, щоˆℓ⊥ˆm як дуги в евклідовій площині.
ТочкаZ, деs зустрічаєтьсяt, є центром кола,Γ що міститьˆℓ.
Якщоˆm проходить черезZ, то інверсія вΓ обмін на ідеальні точкиˆℓ. Зокрема,ˆℓ карти до себе. Звідси і результат.
Використовуйте проективну модель для отримання формули кута паралелізму (Пропозиція 13.1.1).
- Підказка
-
QДозволяти бути точка стопиP на лінії іφ бути кут паралелізму. Можна припустити, щоP це центр абсолюту. ТомуPQ=cosφ і
PQh=12⋅ln1+cosφ1−cosφ.
Використовуйте проективну модель, щоб знайти радіус ідеального трикутника.
- Підказка
-
Застосовуйте вправу17.2.3 дляφ=π3.
Проективна модель h-площини може бути використана для отримання ще одного доказу гіперболічної теореми Піфагора (теорема 13.6.1).
Спочатку нагадаємо його твердження:
coshc=cosha⋅coshb,
деa=BChb=CAh,c=ABh і△hACB - h-трикутник з прямим кутом вC.
Зверніть увагу, що можна вважати, щоA це центр абсолюту. Набірs=BC,t=CA,u=AB. Відповідно до теореми Евклідова Піфагора (Теорема 6.2.1) ми маємо
u2=s2+t2.
Залишається висловитиab, іc використовуючиs,t і показатиu, що 17.2.3 має на увазі 17.2.2.
Завершіть доказ гіперболічної теореми Піфагора (теорема 13.6.1), зазначеної вище.
- Підказка
-
Зауважтеb=12⋅ln1+t1−t, що, отже,
coshb=12⋅(√1+t1−t+√1−t1+t)=1√1−t2.
Таким же чином ми отримуємо, що
coshc=1√1−u2.
НехайX іY є ідеальними точками(BC)h. Застосовуючи теорему Піфагора (теорема 6.2.1) знову, отримуємо цеCX=CY=√1−t2. Тому,
a=12⋅ln√1−t2+s√1−t2−s,
і
cosha=12⋅(√1−t2+s√1−t2−s+√1−t2−s√1−t2+s)=√1−t2√1−t2−s2=√1−t2√1−u2.
Нарешті, зауважте, що 17.2.5, 17.2.6 та 17.2.7 передбачають теорему.