Loading [MathJax]/extensions/TeX/newcommand.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

17.2: Проективна модель

\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }  \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \newcommand{\id}{\mathrm{id}} \newcommand{\Span}{\mathrm{span}} \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,} \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,} \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}} \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}} \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}} \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|} \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle} \newcommand{\Span}{\mathrm{span}} \newcommand{\id}{\mathrm{id}} \newcommand{\Span}{\mathrm{span}} \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,} \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,} \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}} \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}} \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}} \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|} \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle} \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}

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.

2021-03-01 пнг

У проективній моделі все виглядає інакше; одні стають простішими, інші ускладнюються.

Лінії

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.

Теорема\PageIndex{1} Hyperbolic Pappus' theorem

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.

Кола і рівновіддалені

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.)

Відстань

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.

2021-03-01 пнг

Кути

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

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.

Вправа\PageIndex{1}

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.

2021-03-01 пнг

Вправа\PageIndex{2}

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.

2021-03-01 пнг

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.

Вправа\PageIndex{3}

Використовуйте проективну модель для отримання формули кута паралелізму (Пропозиція 13.1.1).

Підказка

2021-03-01 1.52.12.пнг

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}.

Вправа\PageIndex{4}

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.

2021-03-01 пнг

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.

Розширені вправи\PageIndex{5}

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.