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射影しゃえい幾何きかがく

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』

数学すうがくにおける射影しゃえい幾何きかがく(しゃえいきかがく、えい: projective geometry)は、射影しゃえい変換へんかんした不変ふへん幾何きかがくてき性質せいしつ研究けんきゅうする学問がくもんである(エルランゲン・プログラム参照さんしょう)。射影しゃえい幾何きかは、初等しょとうてきユークリッド幾何きかとは設定せっていことにしており、射影しゃえい空間くうかんといくつか基本きほんてき幾何きかがくてき概念がいねんをもとに記述きじゅつされる。

初等しょとうてき直観ちょっかんとしては、射影しゃえい空間くうかんはそれとおな次元じげんユークリッド空間くうかんくらべて「余分よぶんな」てん(「無限むげんとおてん」とばれる)をち、射影しゃえい幾何きかがくてき変換へんかんにおいてその余分よぶんてん通常つうじょうてんすることがゆるされるとかんがえることができる。射影しゃえい幾何きかがくにおける種々しゅじゅ有用ゆうよう性質せいしつは、このような変換へんかん射影しゃえい変換へんかん)に関連かんれんしてあたえられる。最初さいしょ問題もんだいとなるのは、この射影しゃえい幾何きかがくてき状況じょうきょう適切てきせつ記述きじゅつすることのできる幾何きかがくてき言語げんごはどのようなものであるかということである。たとえば、射影しゃえい幾何きかにおいて(ユークリッド幾何きかあつかうようには)かく概念がいねんかんがえることはできない。実際じっさいかく射影しゃえい変換へんかんした不変ふへんでないような幾何きかがくてき概念がいねんひとつであることは透視とうしなどをればあきらかであり、このような透視とうし図法ずほうかんする理論りろんが、事実じじつ射影しゃえい幾何きかがく源流げんりゅうひとつともなっている。初等しょとうてき幾何きかがくとのもうひとつのちがいとして「平行へいこうせん無限むげんとおてんにおいてまじわる」とかんがえることがげられる。これにより、初等しょとう幾何きかがく概念がいねん射影しゃえい幾何きかがくむことができる。これもやはり、透視とうしにおいて鉄道てつどう線路せんろ地平線ちへいせんにおいてまじわるといったような直観ちょっかん基礎きそ概念がいねんである。二次元にじげんにおける射影しゃえい幾何きか基本きほんてき内容ないようかんしては射影しゃえい平面へいめんこうゆずる。

こういったかんがかたふるくからあったものだが、射影しゃえい幾何きかがくとして発展はってんするのはおもに19世紀せいきのことである。おおくの研究けんきゅうりまとめられ、射影しゃえい幾何きかがく当時とうじ幾何きかがくもっと代表だいひょうてき分野ぶんやとなった。ここでいう射影しゃえい幾何きかがくは、座標ざひょうけいひとし座標ざひょうけい)のかく成分せいぶん複素数ふくそすうとなる複素ふくそ射影しゃえい空間くうかんについての理論りろんである。そしていくつかのより抽象ちゅうしょうてき数学すうがく系譜けいふたとえば不変ふへんしきろん代数だいすう幾何きかがくイタリア学派がくは、あるいは古典こてんぐん研究けんきゅうへつながるフェリックス・クラインエルランゲン・プログラムなど)が射影しゃえい幾何きかがくいしずえとしててられていった。これらの主題しゅだいかかわったおおくの研究けんきゅうしゃは、肩書かたがきとしては総合そうごう幾何きかがく (synthetic geometry) にぞくする研究けんきゅうしゃである。ほかにも、射影しゃえい幾何きかがく公理こうりてき研究けんきゅうからまれた研究けんきゅう分野ぶんやとして有限ゆうげん幾何きかがくがある。

射影しゃえい幾何きかがく自体じたい現在げんざいではおおくの研究けんきゅう分野ぶんや細分さいぶんすすんでおり、おもなものとしては、射影しゃえい代数だいすう幾何きかがく射影しゃえい代数だいすう多様たようたい研究けんきゅう)と射影しゃえい微分びぶん幾何きかがく射影しゃえい変換へんかんかんする微分びぶん変量へんりょう研究けんきゅう)のふたつをげることができるだろう。

概観がいかん

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射影しゃえい幾何きかにおいても距離きょり定義ていぎできる。たとえば、じつ射影しゃえい平面へいめんてんさん次元じげんユークリッド空間くうかん原点げんてんとお直線ちょくせん表現ひょうげんしたとき、ユークリッド空間くうかん距離きょり直線ちょくせんあいだ距離きょりとしては意味いみがないが、直線ちょくせん原点げんてん中心ちゅうしんとした単位たんいだまとのふたつの交点こうてんもとに、ふたつの直線ちょくせんあいだ射影しゃえい平面へいめんでの距離きょり交点こうてんあいだ距離きょりみじかいほうと定義ていぎできる。平面へいめん射影しゃえい幾何きかがくは、てん直線ちょくせんとの配置はいち問題もんだい (configuration)研究けんきゅうはしはっする。実際じっさいデザルグらによる透視とうし図法ずほう原理げんりてき説明せつめい[1]において、射影しゃえい幾何きかがくとして理解りかいすることのできるいくつかの設定せっていに、幾何きかがくてき意味いみのある言及げんきゅう散見さんけんされる。よりこう次元じげん空間くうかんでは、ちょう平面へいめんなどの線型せんけい部分ぶぶん空間くうかんかんがえることができて、それらは双対そうついせいしめす。この双対そうついせいもっと簡単かんたん説明せつめいとして、射影しゃえい平面へいめんにおける「そうことなるてん直線ちょくせん一意的いちいてきさだめる」(その直線ちょくせんあたえられたてんとおる)という言及げんきゅうと「そうことなる直線ちょくせんてん一意的いちいてきさだめる」(そのてんあたえられた直線ちょくせん交点こうてん)という言及げんきゅうが、命題めいだいとしておな構造こうぞうをしているということをげることができる。また、射影しゃえい幾何きかちょく定規じょうぎのみをもちいて構成こうせいすることができる幾何きかとしてもとらえることができる[2]。そして射影しゃえい幾何きかコンパスもちいた構成こうせい必要ひつようとしないことから、そこにはえんかく角度かくど平行へいこうせん中間なかませい概念がいねん存在そんざいしないことがわかる[3]。これらの理由りゆうから射影しゃえい幾何きかにおいて成立せいりつする定理ていりは、初等しょとう幾何きかにおけるそれよりも単純たんじゅんかたちべることができるようになる。たとえば、(初等しょとう幾何きかにおいて)ことなる円錐えんすい曲線きょくせんは(複素ふくそ射影しゃえい幾何きかにおいてはすべ同値どうちである。また、えんかんする定理ていりのいくつかは、もっと一般いっぱん定理ていり特別とくべつ場合ばあいとしてることができる。

19世紀せいき初頭しょとうポンスレーラザール・カルノーらの業績ぎょうせき数学すうがくいち分野ぶんやとしての射影しゃえい幾何きかがく確立かくりつする[3]。その厳密げんみつ基礎きそけは、カール・フォン・シュタウトによってまれ、19世紀せいき後半こうはんジュゼッペ・ペアノマリオ・ピエリアレッサンドロ・パドアジーノ・ファノらによって完成かんせいることになる[4]射影しゃえい幾何きかがくは(ユークリッド幾何きかがくアフィン幾何きかがくおなじく)クラインによるエルランゲンプログラムしたがった研究けんきゅうもなされた。これによると、射影しゃえい幾何きかがく射影しゃえいぐんぞくする変換へんかんのもとで不変ふへん幾何きかがくてき対象たいしょうによって特徴付とくちょうづけられる。

このような主題しゅだいたいする多大ただいかず定理ていりについての研究けんきゅう結果けっか射影しゃえい幾何きかがく基本きほんてき概念がいねん理解りかいされていくことになる。たとえば、接続せつぞく構造こうぞうふく射影しゃえい変換へんかんしたでの基本きほんてき変量へんりょうである。また、アフィン平面へいめん(あるいはアフィン空間くうかん)に「無限むげんとお」にある直線ちょくせん(あるいはちょう平面へいめん)をくわえて、「通常つうじょう」の直線ちょくせん(あるいはちょう平面へいめん)と同様どうようあつかうことによって射影しゃえい幾何きかのモデルをつくることができる[5]。さらに、射影しゃえい幾何きか解析かいせき幾何きかがくのやりかたあつかうための代数だいすうてきなモデルはひとし座標ざひょうけいもちいることであたえられる[6][7]。それとはべつに、射影しゃえい幾何きか公理こうりてき研究けんきゅうによって、デザルグ平面へいめん存在そんざいあらわわになる。これはたとえば、(次元じげん場合ばあいだけだが)ひとし座標ざひょうけいとおして正当せいとうすることができないような構造こうぞうによって、接続せつぞく公理系こうりけいをモデルすることができるということをしめしている。

基礎きそけという観点かんてんからは、射影しゃえい幾何きか順序じゅんじょ幾何きかは、それが数少かずすくない公理こうりから展開てんかいされること、あるいはそれがアフィン幾何きかユークリッド幾何きか基礎きそけるのに利用りようできるということなどから、基本きほんてきである[8][9]。なお、射影しゃえい幾何きか順序じゅんじょ幾何きかにならない[3]ので、これらは別々べつべつ幾何きかがくてき基礎きそけになっている。

歴史れきし

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射影しゃえいてき現象げんしょう幾何きかがくてき性質せいしつはじめて発見はっけんされるのは、3世紀せいきごろアレクサンドリアのパップスによる[3]フィリッポ・ブルネレスキ (1404–1472) は1425ねん透視とうし図法ずほう幾何きかがく開始かいししている[10]ヨハネス・ケプラー (1571–1630) とジラール・デザルグ (1591–1661) はそれぞれ独立どくりつに、きわめて重要じゅうような「無限むげんとおてん」の概念がいねんつくげた[11]。デザルグはまた、消失しょうしつてん使用しようをそれらが無限むげんとお場合ばあいふくめて一般いっぱんした投影とうえい図法ずほうべつ構成こうせいあたえている。デザルグは、平行へいこうせんしん平行へいこうとなるユークリッド幾何きかがく特別とくべつ場合ばあいとして完全かんぜん内包ないほうするような幾何きかがくてき体系たいけいつくげた。円錐えんすい曲線きょくせんかんするデザルグの研究けんきゅうは、16さいブレーズ・パスカル関心かんしんき、かれパスカルの定理ていり定式ていしきするたすけとなった。それにつづ射影しゃえい幾何きかがく発展はってん重要じゅうよう仕事しごとは、18世紀せいきれから19世紀せいき初頭しょとうにかけてガスパール・モンジュによってなされる。デザルグの業績ぎょうせきは1845ねんミシェル・シャルルによる手書てがきのうつしに突如とつじょとしてあらわれるまでは見捨みすてられており、そのあいだの1822ねんジャン=ヴィクトール・ポンスレー射影しゃえい幾何きかがく基礎きそてき論文ろんぶん出版しゅっぱんしている。ポンスレーは幾何きかがくてき対象たいしょう射影しゃえいてき性質せいしつ個々ここのクラスに分類ぶんるいし、射影しゃえいてき性質せいしつ計量けいりょうあいだ関係かんけいせいたしかなものとした。ユークリッド幾何きかがくはそれからすぐに、そうきょく空間くうかんクラインモデルのようなモデルをつことが、射影しゃえい幾何きかがくとの関連かんれんせいふくめてしめされている。

これら19世紀せいき射影しゃえい幾何きかがくは、解析かいせき幾何きかがくから代数だいすう幾何きかがくへの足掛あしがかりであった。実際じっさいひとし座標ざひょうけいもちいた射影しゃえい幾何きかがくあつかいは、解析かいせき幾何きかがくにおいて幾何きかがくてき問題もんだい代数だいすう還元かんげんする方法ほうほう拡張かくちょうしたものとみることができるし、このような拡張かくちょうはいくつかの特別とくべつ場合ばあい還元かんげんすることができる。曲面きょくめん詳細しょうさい研究けんきゅうジュリウス・プリュッカーの「直線ちょくせん幾何きかがく」は、もっと一般いっぱん幾何きかがくてき概念がいねん駆使くしする幾何きか学者がくしゃにとってもゆたかなれいあたえるものである。

ポンスレーやスタイナーらの仕事しごと解析かいせき幾何きかがく拡張かくちょうする方向ほうこうにはかわなかった。かれらの手法しゅほうは「総合そうごう幾何きかがく」に裏打うらうちされたものであり、おかげで射影しゃえい空間くうかん今日きょうでは公理こうりてき導入どうにゅうされるものと理解りかいされている。結果けっかとして、射影しゃえい幾何きかがく初期しょき研究けんきゅうさい定式ていしきされ、現在げんざい標準ひょうじゅんてきあつかいでは、厳密げんみつ理解りかいがいささか困難こんなんともないうる。射影しゃえい平面へいめんだけをかんがえた場合ばあいでさえ、公理こうりてき方法ほうほうでは、そのモデルのなか線型せんけい代数だいすうがくつうじた記述きじゅつができないという結果けっかとなる。

幾何きかがくにおけるこのような状況じょうきょうくつがえることになるのは、クレブシュリーマンマックス・ネーターらによる(既存きそん手法しゅほう拡充かくじゅうする)一般いっぱん代数だいすう曲線きょくせんかんする研究けんきゅう、そして不変ふへんしきろん登場とうじょうによる。世紀せいきわりにかけて代数だいすう幾何きかがくイタリア学派がくはエンリケ, セグレ, セヴェリ)はそれまでのふる射影しゃえい幾何きかがくてき手法しゅほうやぶり、よりふか手法しゅほうようする主題しゅだいへと昇華しょうかさせた。

19世紀せいき後半こうはんには、射影しゃえい幾何きかがくくわしい研究けんきゅう流行りゅうこうではなくなっていたが、いくつか文献ぶんけん刊行かんこうされている。いくつかの重要じゅうよう仕事しごとが、とくかぞ幾何きかがくにおいてシューベルトによってなされ、これはいまでは、グラスマン多様たようたいトポロジーあらわすものとしてもちいられるチャーンるい理論りろん先駆さきがけとなされている。

ポール・ディラック射影しゃえい幾何きかがく研究けんきゅうし、それを量子力学りょうしりきがくにおけるかれ概念がいねん展開てんかいする基礎きそとしてもちいた(ただし、結果けっか公表こうひょうするさいつね代数だいすうてきかたちにしてべられている)。See a blog article referring to an article and a book on this subject, also to a talk Dirac gave to a general audience in 1972 in Boston about projective geometry, without specifics as to its application in his physics.

概要がいよう

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射影しゃえい幾何きかがくは、基本きほんてき幾何きかがくユークリッド幾何きかがく - 計量けいりょうのある幾何きかがく - アフィン幾何きかがく - 射影しゃえい幾何きかがく)のなかで、もっと一般いっぱん制約せいやくもっとすくない。射影しゃえい幾何きかがくは、内在ないざいてき計量けいりょうたない幾何きかがくである(射影しゃえい幾何きかがく事実じじつはどんな距離きょり構造こうぞうれるかということに依存いぞんしない)。射影しゃえい変換へんかんのもとで接続せつぞく構造こうぞうふく保存ほぞんされる。射影しゃえい幾何きかがくユークリッド幾何きかがくである。とくに、射影しゃえい幾何きかがく透視とうし図法ずほう中心ちゅうしん原理げんりひとつ「平行へいこうせん無限むげんとおまじわるものとしてえがける」を定式ていしきするものである。本質ほんしつてきには、射影しゃえい幾何きかはユークリッド幾何きか拡張かくちょうかんがえることができて、そこではかく直線ちょくせんの「方向ほうこう」が余分よぶんな「てん」としてかく直線ちょくせんふくまれ、天地てんち平面へいめんの交線としての「地平線ちへいせん」が「直線ちょくせん」となされる。したがって、平行へいこうせんはそれらが共通きょうつうきのおかげで、地平線ちへいせんじょうまじわる。

理想りそうされた「方向ほうこう」は無限むげんとおてんとして理解りかいされ、理想りそうされた「地平線ちへいせん」は無限むげんとお直線ちょくせんばれる。同様どうように、無限むげんとお直線ちょくせんはすべて無限むげんとお平面へいめんじょうにある。しかし、「無限むげんとお」は計量けいりょう距離きょりてき概念がいねんであるから、純粋じゅんすい射影しゃえい幾何きかにおいては、このような無限むげんとおてん無限むげんとお直線ちょくせん無限むげんとお平面へいめんといったような特別とくべつ対象たいしょうえらすということはできない。つまり、射影しゃえい幾何きかがくではこのような無限むげんとお対象たいしょうたちも対象たいしょう区別くべつ同様どうようあつかわれるのである。

ユークリッド幾何きかがく射影しゃえい幾何きかがくふくまれるから、射影しゃえい幾何きかがくをより単純たんじゅん基礎きそけることができる。つまり、ユークリッド幾何きかがくにおける一般いっぱん結果けっか透過とうかてきなやりかた射影しゃえい幾何きかにおける結果けっかえることができる。このとき、ユークリッド幾何きかがくではているが別々べつべつであった定理ていり射影しゃえい幾何きかがく枠組わくぐみで統一とういつてきあつかえる場合ばあいがある。たとえば、勝手かって射影しゃえい平面へいめん理想りそうされた平面へいめんとしてえらし、それをひとし座標ざひょうけいもちいて「無限むげんとお」に配置はいちすれば、平行へいこうせん平行へいこうでないせん場合ばあいけてかんがえる必要ひつようはなくなる。

重要じゅうよう基本きほん性質せいしつとして、デザルグの定理ていりパップスの定理ていりがある。次元じげんが 3 かそれ以上いじょう射影しゃえい空間くうかんではかならずデザルグの定理ていり証明しょうめいすることができるが、次元じげん場合ばあいはそうではないので、デザルグの定理ていり成立せいりつする幾何きか成立せいりつしない幾何きかけてかんがえなければならない。

デザルグの定理ていり成立せいりつする場合ばあいには、定理ていりわせることによって算術さんじゅつ基本きほん演算えんざん幾何きかがくてき定義ていぎすることができる。られる演算えんざんからだ公理こうり満足まんぞくする(ただし、乗法じょうほうかわせい場合ばあいにはパップスの定理ていり必要ひつよう)。結果けっかとして、かく直線ちょくせんじょうてん全体ぜんたいあたえられたからだ F余分よぶんもと Wくわえたものに一対一いちたいいち対応たいおうする。ただし、WrW = W, −W = W, r + W = W, r/0 = W, r/W = 0, Wr = rW = W満足まんぞくするものとし、また 0/0, W/W, W + W, WW, 0W, W0 は定義ていぎしない。

射影しゃえい幾何きかがく円錐えんすい曲線きょくせん理論りろん(これはユークリッド幾何きかがく範疇はんちゅうすで非常ひじょうによく調しらべられている)をすべふくむ。射影しゃえい幾何きかかんがえることのあきらかな優位ゆういせいとしては、双曲線そうきょくせん楕円だえん区別くべつを、双曲線そうきょくせん無限むげんとお直線ちょくせんまじわるということのみで判断はんだんできるということ、そして放物線ほうぶつせん無限むげんとお直線ちょくせんせっするということで区別くべつできることがげられる。えん全体ぜんたいぞく複素ふくそ座標ざひょうかんがえるだけで「無限むげんえん直線ちょくせんじょうてんとお円錐えんすい曲線きょくせん」としてることができる。座標ざひょうというのは「総合そうごう幾何きかがくてきではないから、わりに直線ちょくせんとそのうえてん固定こていして、研究けんきゅう基本きほん対象たいしょうとしてそれらにてんとお円錐えんすい曲線きょくせん全体ぜんたいす「線型せんけいけい」をかんがえる。この手法しゅほう才能さいのうある幾何きか学者がくしゃにとって非常ひじょう魅力みりょくてきであり、この分野ぶんやはとことん調しらべつくされている。このような手法しゅほうれいとして、ベイカーによる複数ふくすうまきおよ論文ろんぶんがある。

様々さまざま射影しゃえい幾何きか存在そんざいするが、それらは「離散りさん」と「連続れんぞく」のふたつに大別たいべつすることができる。離散りさん射影しゃえい幾何きかでは、それがふくてん集合しゅうごうが「有限ゆうげん」の場合ばあい無限むげん場合ばあいもありうるが、連続れんぞく射影しゃえい幾何きかにはかなら無限むげんおおくのてん隙間すきまふくまれていなければならない。

次元じげんが 0 の射影しゃえい幾何きかはただいちてんのみからなり、次元じげん 1 の射影しゃえい幾何きかすくなくともさんてんふくむただひとつの直線ちょくせんからなる。算術さんじゅつてき演算えんざん幾何きかがくてき構成こうせいからこれらの場合ばあいみちびくことはできない。次元じげん場合ばあいデザルグの定理ていりりたないことでゆたかな構造こうぞう存在そんざいする。

ファノ平面へいめんもっとてん直線ちょくせんかずすくない射影しゃえい平面へいめんである。

Greenberg (1999) とうによれば、もっと簡単かんたん次元じげん射影しゃえい幾何きかファノ平面へいめんばれ、かく直線ちょくせんはちょうどさんてんからなり、全部ぜんぶななつのてんななつの直線ちょくせんが、以下いかのようなともせん条件じょうけんしたがって配置はいちされる。

  • [ABC]
  • [ADE]
  • [AFG]
  • [BDG]
  • [BEF]
  • [CDF]
  • [CEG]

かくてん座標ざひょうは A = {0,0}, B = {0,1}, C = {0,W} = {1,W}, D = {1,0}, E = {W,0} = {W,1}, F = {1,1}, G = {W, W} のようにける。デザルグ平面へいめんにおけるこれらのてん座標ざひょうけい設定せっていは、一般いっぱんには無限むげんとおてん(このれいでは C, E, G)が、まぎれなく明確めいかく定義ていぎされるものでない。

しかし、この幾何きかCoxeter (2003) のやりかた一貫いっかんせいたせるには複雑ふくざつさが十分じゅうぶんでない。この場合ばあいのもっとも単純たんじゅんれいてんが31個いっこ直線ちょくせんが31ほんかく直線ちょくせんじょうてんかずは 6 となるもので、PG[2,5] とかれる。コクセターの記号きごうほう有限ゆうげん射影しゃえい幾何きか PG[a, b] は

a次元じげん
直線ちょくせんじょうてんあたえられるとき、b はそのてんとおるほかの直線ちょくせんかず

あらわす。したがって、さきほどのてんかずが 7 のれいは PG[2,2] ということになる。

射影しゃえい幾何きか」のかたりは、背景はいけいとなる一般いっぱんされた抽象ちゅうしょう幾何きかすこともあるし、ひろ興味きょうみ対象たいしょうとなる特定とくてい幾何きかたとえば、平坦へいたん平面へいめんじょうひとし座標ざひょうけいれて解析かいせきできるようにしたもの)を場合ばあいもある。後者こうしゃではユークリッド幾何きかむことができるから、拡張かくちょうユークリッド幾何きかぶこともある。

任意にんい射影しゃえい幾何きか基本きほん性質せいしつは「任意にんいそうことなる直線ちょくせん lm射影しゃえい平面へいめんにおいてただいちてん P のみでまじわる」といったかたちの「楕円だえんがた接続せつぞく関係かんけい」である。解析かいせき幾何きかがくにおいて特別とくべつ場合ばあいであった「平行へいこうせん」も、交点こうてん P が「無限むげんとお直線ちょくせんじょうにあるものとしてほか場合ばあい円滑えんかつにまとめることができる。つまり、射影しゃえい幾何きかがくでは無限むげんとお直線ちょくせん普通ふつう直線ちょくせんとまったく同様どうようあつかうことができ、区別くべつしたり特別とくべつあつかいをする必要ひつようはないのである(エルランゲン・プログラム精神せいしんってえば、これは射影しゃえい変換へんかんぐん任意にんい直線ちょくせん無限むげんとお直線ちょくせんうつしたり、そのぎゃくおこなったりすることができるということを意味いみする)。

あたえられた直線ちょくせん l とそのうえてん Pたいして、楕円だえんがた平行へいこうせん条件じょうけんものがたそうきょくがた平行へいこうせん条件じょうけんに、以下いかのような対照たいしょうすものである。

楕円だえんがた: てん P をとお任意にんい直線ちょくせんは、直線ちょくせん l とただいちてんまじわる。
ものがた: てん P をとおり、直線ちょくせん lまじわらない直線ちょくせんがただひと存在そんざいする。
そうきょくがた: てん P をとおり、直線ちょくせん lまじわらない直線ちょくせんひとつよりおお存在そんざいする。

楕円だえんがた平行へいこうせん条件じょうけん射影しゃえい幾何きか双対そうつい原理げんりを(そしておそらく、すべての射影しゃえい幾何きか共通きょうつう重要じゅうよう性質せいしつのほとんどを)みちびうえかぎとなるかんがえである。

射影しゃえい幾何きかにおける双対そうつい原理げんり

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1825ねんジョセフ・ジェルゴンヌは、射影しゃえい平面へいめん幾何きか特徴付とくちょうづける双対そうついせい原理げんりについてしるしている。これは、射影しゃえい幾何きか任意にんい定義ていぎあるいは定理ていりにおいて、「てん」と「直線ちょくせん」、「—のうえにある」と「—をとおる」、「ともせん」と「ともてん」、「まじわり」と「むすび」をいっせいにたがいにえたとき、結果けっかとしてられる命題めいだい定理ていりであり、られる定義ていぎ意味いみのあるものとなるというものである。このときられた定理ていり定義ていぎは、もとのものの「双対そうつい」であるとわれる。さん次元じげんにおいても同様どうようで、てん平面へいめんかんする双対そうついせいつので、任意にんい定理ていりにおいて「てん」と「平面へいめん」、「—をふくむ」と「—にふくまれる」をえることでべつ定理ていりえることができる。もっと一般いっぱんに、次元じげん N射影しゃえい空間くうかんたいして、次元じげん R部分ぶぶん空間くうかん次元じげん NR −1 の部分ぶぶん空間くうかんとのあいだ双対そうついせい存在そんざいする。N = 2 の場合ばあいかんがえれば、これはもっともよくられたかたちの、てん直線ちょくせんあいだ双対そうついせい特殊とくしゅされる。この双対そうつい原理げんりジャン=ヴィクトル・ポンスレ独立どくりつ発見はっけんしている。

双対そうついせいしめすには、問題もんだいにしている次元じげんたいする公理系こうりけい双対そうついばんとなるかく命題めいだいしんであることをしめすだけで十分じゅうぶんである。ゆえに、さん次元じげん射影しゃえい空間くうかんたいしては、(1*) かくてんあいことなるさん平面へいめんうえにある、(2*) 任意にんい平面へいめんはただひとつの直線ちょくせんまじわる、(3*) 平面へいめん P, Q のまじわりとべつ平面へいめん R, S のまじわりとがともめんであるならば、P と R とのまじわりと Q と S とのまじわりもともめんである(ただし、平面へいめん P と S は Q と R とことなるものとする)のみっつをしめ必要ひつようがある。

実用じつようじょう双対そうつい原理げんり使つかえばふたつの幾何きかがくてき構成こうせいあいだの「双対そうつい対応たいおう」を構築こうちくすることができるようになる。そのようなもののなかもっともよくられたものは、円錐えんすい曲線きょくせん次元じげん場合ばあい)あるいは曲面きょくめんさん次元じげん場合ばあい)におけるふたつの図形ずけいりょう極性きょくせいもしくは相互そうご関係かんけいである。ありふれたれいが、双対そうつい多面体ためんたいるための同心どうしんだまにおける対称たいしょう多面体ためんたい相互そうご関係かんけいつかる。

射影しゃえい幾何きか公理こうり

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任意にんいあたえられた幾何きかが、適当てきとう公理こうり集合しゅうごうから演繹えんえきされるという場合ばあいがある。射影しゃえい幾何きかは「楕円だえんがた」の平行へいこうせん公理こうり任意にんい平面へいめんがただひとつの直線ちょくせんにおいてまじわる」(平面へいめん場合ばあいは「任意にんい直線ちょくせんがただいちてんにおいてまじわる」)によって特徴付とくちょうづけられる。いいかえれば、射影しゃえい幾何きかにおいて平行へいこうせん平行へいこうめんといったようなものは存在そんざいしない。射影しゃえい幾何きかたいするいくつもの公理系こうりけい提示ていじされている(たとえば Coxeter (2003), Hilbert & Cohn-Vossen (1999), Greenberg (1980) などを参照さんしょう)。

ホワイトヘッドの公理系こうりけい

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以下いか公理系こうりけいは、ホワイトヘッドの「射影しゃえい幾何きか公理系こうりけい("The Axioms of Projective Geometry")もとづく。まず、空間くうかんには種類しゅるい要素ようそ、「てん」と「直線ちょくせん」が存在そんざいして、それらの「接続せつぞく関係かんけいさだめられているものとしたうえで、射影しゃえい幾何きか公理系こうりけい以下いかみっつの公理こうりからなる。

  • G1: 任意にんい直線ちょくせんすくなくともさんてんふくむ。
  • G2: 任意にんいてん A, B はただひとつの直線ちょくせん AB のうえにある。
  • G3: 直線ちょくせん AB および CD がまじわるならば、直線ちょくせん AC および BD もまじわる(ただし、A および D は B および D とはことなるものと仮定かていする)。

かく直線ちょくせんすくなくともさんてんつと仮定かていするのは、退化たいかしてしまう場合ばあいのぞくためである。これらさん公理こうり満足まんぞくする空間くうかんは、高々たかだかひとつの直線ちょくせんつか、ある斜体しゃたいうえ適当てきとう次元じげん射影しゃえい空間くうかんが、デザルグ平面へいめんかのいずれかである。

次元じげん座標ざひょうたまき制限せいげんするためにほかにも公理こうり追加ついかすることができる。たとえばコクセターの「射影しゃえい幾何きかがく[12] では、ヴェブレン[13]引用いんようして、上記じょうきさん公理こうり公理こうり追加ついかして、次元じげんが 3 で座標ざひょうたまきしるべすう 2 でないかわからだとなるようにしている。

さんこう関係かんけいもちいた公理系こうりけい

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射影しゃえい幾何きか公理こうりとして、あるしゅさんこう関係かんけい仮定かていするものがある。さんこう関係かんけい [ABC] は、(かならずしもことなるとはかぎらない)さんてん A, B, C がともせんである(どう一直線いっちょくせんじょうにある)ことを意味いみするものとなるように、つぎのような公理こうりかんがえることができる。

  • C0: 任意にんいの A, B にたいして [ABA] がつ。
  • C1: てん A, B が [ABC] および [ABD] をたすならば [BDC] がつ。
  • C2: 任意にんいてん A, B にたいしてだいさんてん C で [ABC] をたすものが存在そんざいする。
  • C3: 任意にんいてん A, C とべつてん B, D で [BCE] および [ADE] はたすが [ABE] はたさないとき、さらにべつてん F で [ACF] および [BDF] をたすものが存在そんざいする。

そうことなるてん A, B があたえられれば、[ABC] をたすてん C の全体ぜんたいとして、直線ちょくせん AB が定義ていぎされる。公理こうり C0 および C1 からホワイトヘッドの公理こうり G2 がられ、同様どうよう公理こうり C2 から公理こうり G1 が、公理こうり C3 から公理こうり G3 がみちびける。

このような仕方しかたとらえた直線ちょくせん概念がいねん平面へいめんやよりこう次元じげん部分ぶぶん空間くうかん概念がいねん一般いっぱんすることができる。つまり部分ぶぶん空間くうかん AB…XY は、てん Z が部分ぶぶん空間くうかん AB…X をうごくときの任意にんい直線ちょくせん YZ じょうにあるてん全体ぜんたい部分ぶぶん空間くうかんとして、帰納的きのうてき定義ていぎすることができる。このとき、ともせんせい概念がいねんは「独立どくりつせい」の概念がいねん一般いっぱんされる。すなわち、てん集合しゅうごう {A, B, …, Z} が独立どくりつであるとは、{A, B, …, Z} が部分ぶぶん空間くうかん AB…Z の最小さいしょう生成せいせいけいとなっていることをい、[AB…Z] であらわす。

射影しゃえい幾何きか公理系こうりけいは、空間くうかん次元じげんにおける極限きょくげん仮定かていする公理こうりもちいてもあたえられる。最小さいしょう次元じげんは、要求ようきゅうされたかずもとからなる独立どくりつけい存在そんざいするかどうかをることによって決定けっていすることができる。最小さいしょう次元じげん判定はんてい条件じょうけん以下いかのようなかたちべることができる。

  • L1: 射影しゃえい空間くうかんすくなくともいちてんつならば、その空間くうかん次元じげんは 0 以上いじょうである。
  • L2: 射影しゃえい空間くうかんすくなくともあいことなるてんしたがってすくなくともひとつの直線ちょくせん)をつならば、その空間くうかん次元じげんは 1 以上いじょうである。
  • L3: 射影しゃえい空間くうかんすくなくともみっつのともせんでないてん(あるいは直線ちょくせん、もしくはひとつの直線ちょくせんとその直線ちょくせんじょういちてん)をつならば、その空間くうかん次元じげんは 2 以上いじょうである。
  • L4: 射影しゃえい空間くうかんすくなくともよっつのともめんでないてんどういち平面へいめんじょうてん)をつならば、その空間くうかん次元じげんは 3 以上いじょうである。

次元じげんについても同様どうようである。また、最大さいだい次元じげん同様どうよう方法ほうほう決定けっていできる。最大さいだい次元じげんかんして以下いかのような判定はんてい条件じょうけんかんがえることができる。

  • M1: 射影しゃえい空間くうかんひとつよりおおくのてんたないならば、その空間くうかん次元じげんは 0 以下いかである。
  • M2: 射影しゃえい空間くうかんひとつよりおおくの直線ちょくせんたないならば、その空間くうかん次元じげんは 1 以下いかである。
  • M3: 射影しゃえい空間くうかんひとつよりおおくの平面へいめんたないならば、その空間くうかん次元じげんは 2 以下いかである。

以下いか同様どうよう。さて、一般いっぱんに(公理こうり C3 の帰結きけつとして)「どういち平面へいめんじょうにある任意にんい直線ちょくせんかならまじわる」という定理ていりつが、これはそもそも射影しゃえい幾何きかがく構築こうちくされる指導原理しどうげんりとなったまさにその命題めいだいそのものである。したがって、性質せいしつ M3 は「任意にんい直線ちょくせんかならまじわるならば」とえてもよい。

射影しゃえい空間くうかん次元じげんを 2 以上いじょう仮定かていすることは一般いっぱんてきであり、とき射影しゃえい平面へいめんについてのみを問題もんだいとするときは、さきほどの性質せいしつ M3 やそのるいいの条件じょうけん仮定かていすることができる。たとえば (Eves 1997, p. 111) の公理系こうりけいは C1, C2, L3, M3 を仮定かていする(公理こうり C3 は M3 のしたではつねしんであり、したがってこの文脈ぶんみゃくでは明示めいじてき仮定かていすることをようしない)。

射影しゃえい平面へいめん公理系こうりけい

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接続せつぞく幾何きか (incidence geometry) において、いくつかの文献ぶんけん[14][15]最小さいしょう有限ゆうげん射影しゃえい平面へいめんとしてのファノ平面へいめん PG(2, 2) をあつかっている。その公理系こうりけいつぎのようなものである。

  • (P1) 任意にんいそうことなるてんたいしてそれをとお直線ちょくせんがただひと存在そんざいする。
  • (P2) 任意にんいそうことなる直線ちょくせんはただいちてんにおいてまじわる。
  • (P3) どのみっつもどう一直線いっちょくせんじょういようなすくなくともよんてん存在そんざいする。

コクセターの「幾何きかがく入門にゅうもん[16] にはバックマンによる射影しゃえい幾何きかいつつの公理こうり掲載けいさいされている。これは上述じょうじゅつ公理系こうりけいにパップスの定理ていりくわえてしるべすう 2 のからだじょう射影しゃえい平面へいめん除外じょがいするものである。

関連かんれん項目こうもく

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注記ちゅうき

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  1. ^ Ramanan 1997, p. 88
  2. ^ Coxeter 2003, p. v
  3. ^ a b c d Coxeter 1969, p. 229
  4. ^ Coxeter 2003, p. 14
  5. ^ Coxeter 1969, pp. 93, 261
  6. ^ Coxeter 1969, pp. 234–238
  7. ^ Coxeter 2003, pp. 111–132
  8. ^ Coxeter 1969, pp. 175–262
  9. ^ Coxeter 2003, pp. 102–110
  10. ^ Coxeter 2003, p. 2
  11. ^ Coxeter 2003, p. 3
  12. ^ Coxeter 2003, pp. 14–15
  13. ^ Veblen 1966, pp. 16, 18, 24, 45
  14. ^ Polster 1998, p. 5
  15. ^ Cederberg 2001, p. 9–18
  16. ^ Coxeter 1969, pp. 229–234

参考さんこう文献ぶんけん

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  • F. Bachmann, 1959. Aufbau der Geometrie aus dem Spiegelungsbegriff, Springer, Berlin.
  • Cederberg, Judith N. (2001), A Course in Modern Geometries, New York: Springer-Verlag, ISBN 0-387-98972-2 
  • Coxeter, H. S. M., 1995. The Real Projective Plane, 3rd ed. Springer Verlag.
  • Coxeter, H. S. M., 2003. Projective Geometry, 2nd ed. Springer Verlag. ISBN 978-0-387-40623-7.
  • Coxeter, H. S. M. (1969), Introduction to Geometry, New York: John Wiley & Sons, ISBN 0471504580 
  • Howard Eves, 1997. Foundations and Fundamental Concepts of Mathematics, 3rd ed. Dover.
  • Greenberg, M.J., 2007. Euclidean and non-Euclidean geometries, 4th ed. Freeman.
  • Richard Hartley and Andrew Zisserman , 2003. Multiple view geometry in computer vision, 2nd ed. Cambridge University Press. ISBN 0-521-54051-8
  • Hartshorne, Robin, 2009. Foundations of Projective Geometry, 2nd ed. Ishi Press. ISBN 978-4-87187-837-1
  • Hartshorne, Robin, 2000. Geometry: Euclid and Beyond. Springer.
  • Hilbert, D. and Cohn-Vossen, S., 1999. Geometry and the imagination, 2nd ed. Chelsea.
  • D. R. Hughes and F. C. Piper, 1973. Projective Planes, Springer.
  • Polster, Burkard (1998), A Geometrical Picture Book, New York: Springer-Verlag, ISBN 0-387-98437-2 
  • Ramanan, S. (August 1997), “Projective geometry”, Resonance (Springer India) 2 (8): 87–94, doi:10.1007/BF02835009, ISSN 0971-8044 
  • Veblen, Oswald; Young, J. W. A. (1938), Projective geometry, Boston: Ginn & Co., ISBN 978-1418182854, https://archive.org/details/117714799_001 

外部がいぶリンク

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