射影几何的开端

阿波罗尼奥斯《圆锥曲线》的重现引起了数学家的兴趣。应用如天文、透镜、绘制地图、算弹道射程、计算面积体积等推动人们对曲线的研究;此外人们感到希腊人的证明方法缺乏一般性。

一个小变动是人们把曲线定义为平面上的轨迹,而非阿波罗尼奥斯所述的圆锥面截线。为了回答画家提出的透视法问题i,几何学者开展了新课题,这一分支到19世纪被称为射影几何。在十七世纪,人们把它视为欧氏几何的一部分。

对射影几何做出贡献的第一个人是笛沙格(1591-1661),他自学成才,当过陆军军官、工程师、建筑师。笛卡尔高度推崇笛沙格,费马认为笛沙格是圆锥曲线理论的真正奠基人,但一般人欣赏不来他的著作(他采用了一些古怪的术语,因此难以阅读),因此心灰意冷回老家了。

他引入了无穷远点和无穷远线(假设平行线交于无穷远点,平行面交于无穷远线),笛沙格定理称,从一点透视出去的两个三角形,三对对边的延长线交点共线,反之若三对对边延长线交点共线,则连接对应顶点的三根直线必交于一点。


笛沙格定理

笛沙格的另一个基本结论是:交比在投影下的不变性。一条直线上四点形成的各线段之比,与直线在另一条投射线上的线段比相等。他也定义了对合的概念:如果直线上有一点能使OA·OB=OA'·OB',则称两对点A,B和A',B'对合。若作一个圆锥线的内接四边形,则任一不过顶点的直线与圆锥形(L,M)、四边形(P,Q,I,K)、四边形对角线(G,H)相交的四对点有对合关系。其次引入了调和点组的概念:A,B,E,F成为一调和点组(后来莫比乌斯定义交比=-1的点组为调和点组,沿用至今)。


对合


笛沙格进而阐释极点与极带理论,接着他把圆锥曲线的直径看作无穷远点的极带,进而证明双曲线、共轭直径以及渐近线的一些事实。他通过投影和截景统一处理了不同种类的圆锥曲线,富有创新精神。

第二个主要人物是帕斯卡(1623-1662),在他短暂多病的一生中不仅研究了射影几何,也是微积分的创始人之一,概率论的开创者,19岁时发明了第一台计算器;物理上发现了气压随高度升高而降低,阐明了液体压力的概念;他还是散文大师和神学辩论家。他的数学工作主要凭直观,在去世不久前他给费马的信称他对数学有些厌倦。(怎么感觉天才数学家分成三类:一类是早早搞出大新闻早早去世;一类是早早搞出大新闻晚年干别的;还有一类是早早搞出大新闻晚年还在奋斗的,据说根据牙齿的设定,人类的设计年龄是40岁,也不是没有道理)。

帕斯卡在射影几何中得到一个著名结果:内接于圆锥曲线的六边形,每两条对边相交而得的三个点共线,若六边形对边两两平行,则P,Q,R在无穷远线上。


帕斯卡定理

Philippe de La Hire(1640-1718)也受笛沙格影响研究圆锥曲线,阿波罗尼奥斯叙述了364个关于圆锥曲线的定理,拉伊尔证明了约300个。总之他的结果并未超过笛沙格和帕斯卡的,不过他为极点、极带提供了新结果:若一点在直线上移动,则该点的极带绕那条直线的极点转动。

这一时期也出现了一些新的观点。一、形状变换。开普勒设想一个焦点固定,另一个则在连线上移动,椭圆可以变成抛物线、双曲线,他还指出改变切割圆锥体的倾角可得到不同圆锥曲线。二、变换和不变性。做投射取截景,研究与原图中保持不变的特性。

射影几何学家也像韦达等代数学家一样寻求一般方法的研究。特别是在拉伊尔1685年的著作中,因他的目的是为了显示射影法比阿波罗尼奥斯的方法,甚至比笛卡尔的代数几何优越。他们挖掘方法的一般性,无意中处理了点和线的相交问题,比起欧氏几何注重大小和度量等性质,射影几何更注重位置和相交的性质,但直到19世纪才认识到他们的工作蕴含着几何的新分支。

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