Проективная Геометрия

Раздел геометрии, изучающий проективные свойства фигур. Отличается от евклидовой геометрии тем, что в ней не используются понятия параллельности, перпендикулярности и равенства отрезков и углов и предполагается, что любые две прямые на плоскости имеют общую точку. Тесно связанная с перспективой, проективная геометрия плоскости занимается изучением свойств и отношений, которые остаются неизменными при проецировании плоской фигуры на другую плоскость. Те, кто изучал только евклидову геометрию, считают очевидным факт, что две прямые, лежащие в одной плоскости и имеющие общий перпендикуляр, параллельны, т.е. Не пересекутся, как бы далеко мы их ни продолжали. Однако если мы, например, посмотрим на железнодорожные рельсы, являющиеся параллельными прямыми, то нам безусловно покажется, что они пересекаются на горизонте.

Предположив, что любые две прямые пересекаются, мы получаем систему утверждений, столь же логически непротиворечивую, как и отличная от нее система утверждений евклидовой геометрии (см. Также Геометрия. Неевклидова Геометрия). Можно было бы ожидать, что геометрия без окружностей, расстояний, углов и параллельности окажется беднее евклидовой геометрии. Этимологически кажется странным, что может существовать геометрия, не имеющая дело с измерениями (ведь само слово "геометрия" произошло от греческого слова, означающего землемерие). Но в действительности возникает очень красивая и сложная система с теоремами, о которых Евклид не мог даже помыслить, поскольку сосредоточенность на измерении увела его совсем в другую сторону.

Однако сам переход от аксиом и простейших теорем к "интересным" теоремам проективной геометрии напоминает по духу, если и не в деталях, работы Евклида. Лишь немногие из этих неметрических утверждений были известны до 1425, когда художник Брунеллески начал заниматься теорией перспективы, систематизированной несколькими годами позже в трактате Альберти. После этого было бы естественно перейти к построению проективной геометрии для трех измерений, но вскоре обнаружилось, что и двух измерений вполне достаточно, чтобы надолго привлечь внимание математиков к задачам проективной геометрии. Плоская проективная геометрия занимается изучением геометрических свойств, не меняющихся при центральном проецировании.

Примером такого проецирования может служить тень от абажура лампы, падающая на стену или на пол. Обычно световое пятно имеет круглую или эллиптическую форму на полу и гиперболическую - на стене. Таким образом, в проективной геометрии нет привычного различия между окружностью, эллипсом, параболой и гиперболой. Это просто конические сечения, подобные друг другу. Если художник рисует кафельный пол на вертикальном холсте, квадратные плитки уже не кажутся квадратами, т.к. Их стороны и углы искажаются, но линии, на которых лежат стороны, остаются прямыми. Поэтому проективная геометрия имеет дело с треугольниками, четырехугольниками и т.д., но не с прямоугольными треугольниками, параллелограммами и т.д.См. Также Конические Сечения.История.

Хотя конические сечения изучали еще Менехм, Евклид, Архимед и Аполлоний в 4 и 3 вв. До н.э., первые действительно проективные теоремы были открыты Паппом Александрийским в 3 в. Н.э., а самое раннее доказательство проективной теоремы, исходящее из чисто проективных свойств фигур, было предложено Ж. Понселе (1788-1867), который, находясь в русском плену после бегства Наполеона из Москвы, написал Трактат о проективных свойствах фигур. Развивая идею, высказанную ранее И.Кеплером (1571-1630), Понселе получил проективное пространство из обычного, постулировав существование "бесконечно удаленной плоскости", содержащей "бесконечно удаленную прямую" для каждого пучка параллельных плоскостей, и "бесконечно удаленную точку" для каждого пучка параллельных прямых.

Это позволило утверждать, что две параллельные прямые пересекаются в бесконечно удаленной точке. Но для того, чтобы действительно перейти к проективной геометрии, надо уравнять в правах эти дополнительно введенные бесконечно удаленные точки с обычными. Большую роль в этом сыграли работы К. Фон Штаудта (1798-1867), а последние следы зависимости от измерений устранил в 1899 М. Пьери, построивший систему аксиом проективной геометрии. Впоследствии другими авторами предлагались системы аксиом, слегка отличные от системы Пьери. Используемая нами далее система аксиом была предложена в 1910 О. Вебленом и Дж. Юнгом.Определения. Основными понятиями, не нуждающимися в определении, будем считать "точку", "прямую" и отношение "инцидентности".

Если точка P и прямая l инцидентны, мы говорим, что точка P "лежит на" прямой l, или что прямая l "проходит через" точку P. Если прямая l проходит через две точки P и Q, то мы говорим, что l "соединяет" их, и записываем l = PQ. Если точка P лежит на прямых l и m, мы говорим, что эти прямые "пересекаются" в P, и записываем P = lЧm. Три и более точек на одной прямой называются "коллинеарными". Три и более прямых, проходящих через одну точку, называются "пересекающимися в одной точке". После введения понятия плоскости (см. Ниже) мы можем использовать аналогичные термины для пространственных понятий. Если плоскость a проходит через две прямые l и m, мы говорим, что она "соединяет" их, и записываем a = lm. Если прямая l лежит в плоскостях a и b, мы говорим, что эти плоскости "пересекаются" по прямой l, и записываем l = a*b.

"Треугольник" ABC состоит из трех неколлинеарных точек A, B, C, называемых его "вершинами", и трех соединяющих их прямых линий BC, CA, AB, называемых его "сторонами". "Плоскость" ABC состоит из всех точек, которые лежат на прямых, соединяющих C с точками на AB, и всех прямых, соединяющих пары построенных таким образом различных точек. Если четыре точки на плоскости соединены попарно шестью различными прямыми, то они называются вершинами "полного четырехвершинника" (рис. 1), а соответствующие прямые служат его шестью сторонами. Две стороны называются "противоположными", если они не имеют общей вершины. Точка, в которой пересекаются две противоположные стороны, называется "диагональной точкой".Рис. 1. "ПОЛНЫЙ ЧЕТЫРЕХВЕРШИННИК" можно получить, соединив попарно четыре точки шестью прямыми.

Точки пересечения противоположных сторон (диагональные точки) отмечены звездочками.Если подвижная точка X на одной фиксированной прямой и подвижная точка XСћ на другой соответствуют друг другу так, что прямая XXСћ всегда проходит через неподвижную точку O, мы будем писать .