В математике метрика Кэли-Клейна — это метрика дополнения к фиксированной квадрике в проективном пространстве , которая определяется с помощью перекрестного отношения . Начало конструкции положило эссе Артура Кэли «К теории расстояния» [1] , где он называет квадрику абсолютом . Конструкция была более подробно развита Феликсом Кляйном в статьях 1871 и 1873 годов, а также в последующих книгах и статьях. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Метрики Кэли-Клейна являются объединяющей идеей в геометрии, поскольку этот метод используется для получения метрик в гиперболической геометрии , эллиптической геометрии , и евклидова геометрия . Область неевклидовой геометрии во многом опирается на метрики Кэли – Клейна.
Алгебра бросков Карла фон Штаудта (1847) — это подход к геометрии, не зависящий от метрики . Идея заключалась в том, чтобы использовать отношение проективных гармонических сопряжений и перекрестных отношений как фундаментальное для измерения на прямой. [10] Еще одним важным открытием стала формула Лагерра Эдмона Лагерра (1853 г.), которая показала, что евклидов угол между двумя линиями может быть выражен как логарифм перекрестного отношения. [11] В конце концов, Кэли (1859) сформулировал соотношения для выражения расстояния в терминах проективной метрики и связал их с общими квадриками или кониками , служащими абсолютом геометрии . [12] [13] Кляйн (1871, 1873) удалил последние остатки метрических концепций из работы фон Штаудта и объединил их с теорией Кэли, чтобы основать новую метрику Кэли на логарифме и перекрестном отношении как числе, порождаемом геометрическое расположение четырех точек. [14] Эта процедура необходима, чтобы избежать кругового определения расстояния, если перекрестное отношение представляет собой просто двойное отношение ранее определенных расстояний. [15] В частности, он показал, что неевклидовы геометрии могут быть основаны на метрике Кэли-Клейна. [16]
Геометрия Кэли-Клейна - это исследование группы движений , которые оставляют инвариант метрики Кэли-Клейна . Это зависит от выбора квадрики или коники, которая станет абсолютом пространства . Эта группа получается как коллинеации , для которых абсолют устойчив . Действительно, перекрестное отношение инвариантно при любой коллинеации, а стабильный абсолют позволяет проводить метрическое сравнение, которое будет равенством. Например, единичный круг является абсолютом модели диска Пуанкаре и модели Бельтрами-Клейна в гиперболической геометрии . Точно так же действительная линия является абсолютом модели полуплоскости Пуанкаре .
Степень геометрии Кэли – Клейна была резюмирована Хорстом и Рольфом Струве в 2004 году: [17]
Диаграммы Кэли-Клейна- Вороного представляют собой аффинные диаграммы с линейными биссектрисами гиперплоскости . [18]
Метрика Кэли-Клейна впервые проиллюстрирована на вещественной проективной прямой P( R ) и проективных координатах . Обычно проективная геометрия не связана с метрической геометрией, но связь обеспечивает устройство с гомографией и натуральным логарифмом. Начните с двух точек p и q на P( R ). В каноническом вложении это [ p :1] и [ q :1]. Гомографическая карта
переводит p в ноль и q в бесконечность. Более того, средняя точка ( p + q )/2 переходит в [1:1]. Натуральный логарифм переводит изображение интервала [ p , q ] в действительную линию, причем логарифм изображения средней точки равен 0.
Для расстояния между двумя точками в интервале метрика Кэли – Клейна использует логарифм отношения точек. Как соотношение сохраняется, когда числитель и знаменатель перепропорциональны, так и логарифм таких отношений сохраняется. Эта гибкость соотношений позволяет перемещать нулевую точку на расстояние: чтобы переместить ее в a , примените вышеуказанную гомографию, скажем, получив w . Затем сформируйте эту гомографию:
Композиция первой и второй гомографии переводит a в 1, тем самым нормализуя произвольное a в интервале. Составленные гомографии называются гомографиями перекрестных отношений p , q и a . Часто перекрестное соотношение вводится как функция четырех величин. Здесь три определяют гомографию, а четвертый является аргументом гомографии. Расстояние этой четвертой точки от 0 является логарифмом оцененной гомографии.
Предположим, что в проективном пространстве, содержащем P( R ), задана коника K с p и q на K . Гомография в большем пространстве может иметь K как инвариантное множество, поскольку оно переставляет точки пространства. Такая гомография индуцирует гомографию на P( R ), и поскольку p и q остаются на K , перекрестное отношение остается инвариантным. Высшие гомографии обеспечивают движение области, ограниченной K , с расстоянием, сохраняющим движение, - изометрию .
Предположим, в качестве абсолюта выбрана единичная окружность. Это может быть в P 2 ( R ), как
С другой стороны, единичная окружность в обычной комплексной плоскости
и находится в комплексной проективной прямой P( C ), чем - то отличном от действительной проективной плоскости P2 ( R ). Понятие расстояния для P( R ), введенное в предыдущем разделе, доступно, поскольку P( R ) включено как в P2 ( R ) , так и в P( C ). Скажем, a и b находятся внутри круга в P 2 ( R ). Тогда они лежат на прямой, пересекающей окружность в точках p и q . Расстояние от a до b — это логарифм значения гомографии, созданной выше с помощью p , q и a , применительно к b . В этом случае геодезические на диске представляют собой отрезки прямых.
С другой стороны, геодезические представляют собой дуги обобщенных окружностей в диске комплексной плоскости. Этот класс кривых переставляется преобразованиями Мёбиуса , источником движений этого диска, которые покидают единичную окружность как инвариантное множество . Учитывая a и b в этом диске, существует уникальная обобщенная окружность, которая пересекает единичную окружность под прямым углом, скажем, пересекая ее в точках p и q . Опять же, для расстояния от a до b сначала строится гомография для p, q и a , затем вычисляется ее в b и, наконец, используется логарифм. Двумя моделями гиперболической плоскости , полученными таким образом, являются модель Кэли-Клейна и модель диска Пуанкаре .
В своих лекциях по истории математики 1919/20 г., опубликованных посмертно в 1926 г., Кляйн писал: [19]
То есть абсолюты или в гиперболической геометрии (как обсуждалось выше) соответствуют интервалам или в пространстве-времени , и их преобразования, оставляющие абсолютный инвариант, могут быть связаны с преобразованиями Лоренца . Точно так же уравнения единичного круга или единичной сферы в гиперболической геометрии соответствуют физическим скоростям или в теории относительности, которые ограничены скоростью света c , так что для любой физической скорости v отношение v / c ограничивается внутренним пространством. единичной сферы, а поверхность сферы образует абсолют Кэли для геометрии.
Дополнительные подробности о связи между метрикой Кэли-Клейна для гиперболического пространства и пространством Минковского специальной теории относительности были указаны Клейном в 1910 году [20] , а также в издании 1928 года его лекций по неевклидовой геометрии. [21]
В 2008 году Хорст Мартини и Маргарита Спирова обобщили первую из теорем Клиффорда о окружности и другую евклидову геометрию, используя аффинную геометрию , связанную с абсолютом Кэли:
Используйте однородные координаты ( x,y,z ). Линия f на бесконечности равна z = 0. Если F = (0,1,0), то парабола с диаметром, параллельным оси y, представляет собой изотропный круг.
Пусть P = (1,0,0) и Q = (0,1,0) находятся в абсолюте, поэтому f такой же, как указано выше. Считается, что прямоугольная гипербола в плоскости ( x,y ) проходит через P и Q на бесконечной прямой. Эти кривые представляют собой псевдоевклидовы круги.
В трактовке Мартини и Спировой используются двойственные числа для изотропной геометрии и числа сплит-комплекса для псевдоевклидовой геометрии. Эти обобщенные комплексные числа связаны со своей геометрией так же, как обычные комплексные числа связаны с евклидовой геометрией.
Недавно в разговоре возник вопрос, может ли диссертация в 2 строки заслужить и получить стипендию. ... Проективное определение длины Кэли является наглядным примером, если мы можем интерпретировать «2 линии» с разумной широтой. ... В случае с Кэли важность идеи очевидна с первого взгляда.
Литтлвуд (1986, стр. 39–40)
Артур Кэли (1859) определил «абсолют», на котором он основывал свою проективную метрику, как общее уравнение поверхности второй степени в терминах однородных координат : [1]
Тогда расстояние между двумя точками определяется выражением
В двух измерениях
с расстоянием
из которых он обсудил частный случай с расстоянием
Он также упомянул случай (единичную сферу).
Феликс Кляйн (1871) переформулировал выражения Кэли следующим образом: Он написал абсолют (который он назвал фундаментальным коническим сечением) в терминах однородных координат: [23]
и, образовав абсолюты и для двух элементов, определил метрическое расстояние между ними через перекрестное отношение:
На плоскости сохраняются те же соотношения для метрических расстояний, за исключением того, что и теперь каждая связана с тремя координатами . В качестве фундаментального конического раздела он обсудил особый случай , который относится к гиперболической геометрии, когда она реальна, и к эллиптической геометрии, когда она воображаема. [24] Преобразования, оставляющие инвариант этой формы, представляют собой движения в соответствующем неевклидовом пространстве. В качестве альтернативы он использовал уравнение окружности в форме , которое относится к гиперболической геометрии, когда оно положительное (модель Бельтрами-Клейна), или к эллиптической геометрии, когда оно отрицательное. [25] В пространстве он обсуждал фундаментальные поверхности второй степени, согласно которым мнимые относятся к эллиптической геометрии, вещественные и прямолинейные соответствуют однополостному гиперболоиду , не имеющему отношения к одной из трех основных геометрий, а действительные и не -прямолинейные относятся к гиперболическому пространству.
В своей статье 1873 года он указал на связь между метрикой Кэли и группами преобразований. [26] В частности, квадратные уравнения с действительными коэффициентами, соответствующие поверхностям второй степени, можно преобразовать в сумму квадратов, у которой разница между числом положительных и отрицательных знаков остается равной (это теперь называется законом Сильвестра). инерция ). Если знаки всех квадратов одинаковы, поверхность является мнимой с положительной кривизной. Если один признак отличается от других, поверхность становится эллипсоидом или двуполостным гиперболоидом отрицательной кривизны.
В первом томе своих лекций по неевклидовой геометрии в зимнем семестре 1889/90 г. (опубликовано в 1892/1893 г.) он обсуждал неевклидову плоскость, используя эти выражения для абсолюта: [27] и обсуждал их инвариантность относительно к коллинеациям и преобразованиям Мёбиуса, представляющим движения в неевклидовых пространствах.
Во втором томе, содержащем лекции летнего семестра 1890 г. (также опубликованном в 1892/1893 г.), Кляйн обсуждал неевклидово пространство с метрикой Кэли [28] и продолжал показывать, что варианты этой четвертичной квадратичной формы можно привести в одну следующих пяти форм вещественными линейными преобразованиями [29]
Эта форма использовалась Кляйном как абсолют Кэли эллиптической геометрии [30] , а к гиперболической геометрии он отнес и, альтернативно, уравнение единичной сферы . [31] В конце концов он обсудил их инвариантность относительно коллинеаций и преобразований Мёбиуса, представляющих движения в неевклидовых пространствах.
Роберт Фрике и Кляйн суммировали все это во введении к первому тому лекций по автоморфным функциям 1897 года, в которых они использовали абсолют как в геометрии на плоскости, так и в гиперболическом пространстве. [32] Лекции Кляйна по неевклидовой геометрии были посмертно переизданы в одном томе и значительно отредактированы Вальтером Роземаном в 1928 году. [9] Исторический анализ работ Кляйна по неевклидовой геометрии был дан А'Кампо и Пападопулосом (2014). . [16]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)(второй отпечаток, первый отпечаток 1892 г.){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)(второй отпечаток, первый отпечаток 1892 г.)