17.2: Проективна модель
Наступна картинка ілюструє карту,P\mapsto \hat{P} описану в попередньому розділі — якщо ви зробите знімок ліворуч і застосуєте картуP\mapsto \hat P, ви отримаєте зображення праворуч. Картинки є конформною та проективною моделями гіперболічної площини відповідно. КартаP\mapsto \hat P - 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
\begin{aligned} X&=(BC')_h\cap(B'C)_h, & Y&=(CA')_h\cap(C'A)_h, & Z&=(AB')_h \cap(A'B)_h.\end{aligned}
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\measuredangle_hAOB=\measuredangle AOB.
- ЯкщоO центр абсолюту і\measuredangle OAB=\pm\tfrac\pi2, то
\measuredangle_h OAB=\measuredangle OAB=\pm \dfrac{\pi}{2}.
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.
mДозволяти\ell і є h-лініями в проективній моделі. Нехайs іt позначають евклідові лінії дотичні до абсолюту в ідеальних точках\ell. Покажітьs, що якщо лініїt і розширенняm перетинаються в одній точці, то\ell іm є перпендикулярними h-лініями.
- Підказка
-
Нехай\hat{\ell} і\hat{m} позначають h-лінії в конформної моделі, які відповідають\ell іm. Потрібно показати, що\hat{\ell} \perp \hat{m} як дуги в евклідовій площині.
ТочкаZ, деs зустрічаєтьсяt, є центром кола,\Gamma що містить\hat{\ell}.
Якщо\hat{m} проходить черезZ, то інверсія в\Gamma обмін на ідеальні точки\hat{\ell}. Зокрема,\hat{\ell} 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 і\varphi бути кут паралелізму. Можна припустити, щоP це центр абсолюту. ТомуPQ = \cos \varphi і
PQ_h = \dfrac{1}{2} \cdot \ln \dfrac{1 + \cos \varphi}{1 - \cos \varphi}.
Використовуйте проективну модель, щоб знайти радіус ідеального трикутника.
- Підказка
-
Застосовуйте вправу\PageIndex{3} для\varphi = \dfrac{\pi}{3}.
Проективна модель h-площини може бути використана для отримання ще одного доказу гіперболічної теореми Піфагора (теорема 13.6.1).
Спочатку нагадаємо його твердження:
\cosh c=\cosh a\cdot\cosh b,
деa=BC_hb=CA_h,c=AB_h і\triangle_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
u^2=s^2+t^2.
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 = \dfrac{1}{2} \cdot \ln \dfrac{1 + t}{1 - t}, що, отже,
\cosh b = \dfrac{1}{2} \cdot (\sqrt{\dfrac{1 + t}{1 - t}} + \sqrt{\dfrac{1 - t}{1 +t}}) = \dfrac{1}{\sqrt{1 - t^2}}.
Таким же чином ми отримуємо, що
\cosh c = \dfrac{1}{\sqrt{1 - u^2}}.
НехайX іY є ідеальними точками(BC)_h. Застосовуючи теорему Піфагора (теорема 6.2.1) знову, отримуємо цеCX = CY = \sqrt{1 - t^2}. Тому,
a = \dfrac{1}{2} \cdot \ln \dfrac{\sqrt{1 - t^2} + s}{\sqrt{1 - t^2} - s},
і
\cosh a = \dfrac{1}{2} \cdot (\dfrac{\sqrt{1 - t^2} + s}{\sqrt{1 - t^2} - s} + \dfrac{\sqrt{1 - t^2} - s}{\sqrt{1 - t^2} + s}) = \dfrac{\sqrt{1 - t^2}}{\sqrt{1 - t^2 - s^2}} = \dfrac{\sqrt{1 - t^2}}{\sqrt{1 - u^2}}.
Нарешті, зауважте, що 17.2.5, 17.2.6 та 17.2.7 передбачають теорему.