Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Проективная геометрия для ИМ..doc
Скачиваний:
188
Добавлен:
30.10.2018
Размер:
4.01 Mб
Скачать

Принадлежность трёх прямых одному пучку

Рассмотрим три прямые l : и1 х1+ и2 х2+ и3 х3 = 0,

т : v1 х1+ v2 х2+ v3 х3 = 0,

п : w1 х1+ w2 х2+ w3 х3 =0.

Если l ∩ m ∩ n = А, то у однородной системы линейных уравнений должно существовать одно не нулевое решение (с точностью до пропорциональности), т.е. подпространство решений состоит из одного вектора

1 = 3 – rg rg = 2,

это означает, что одна строка является линейной комбинацией других: w = λ∙и + μ∙v - параметрическое уравнение пучка прямых. (сравнить с коллинеарностью трех точек Х = λ∙А + μ∙В ).

Координаты точки и уравнение прямой в пространстве

Рассмотрим п –мерное проективное пространство Pп.

Определение: Е1 , Е2 ,…, Еп+1 , Е - упорядоченная система различных точек среди которых никакие три не лежат на одной прямой (Р1), никакие четыре не лежат на одной плоскости (Р2), никакие пять не принадлежат (Р3), и т.д. называется проективным репером в пространстве Pп.

Обозначение: R(Е1, Е2, …, Еп+1, Е) - проективный репер на прямой.

Названия: Е1, Е2,… , Еп+1 - вершины репера или базисные точки,

Е - единичная точка,

(Е1Е2), (Е1Е3), …, (ЕпЕп+1) - координатные прямые.

Проективное пространство Pп порождается Vп+1.

Пусть Е1, Е2,…, Еп+1, Е порождаются - ē1 , ē2 ,…, ēп+1 , ē Vп+1.

Векторы ē1 , ē2 ,…, ēп+1 – линейно независимы (почему?), а значит могут быть базисом в Vп+1.

Определение: Система векторов ē1 , ē2 , ,…, ēп+1 , ē - называется согласованной,

если ē12 +…+ ēп+1.

Пусть ē1, ē2, ,…, ēп+1 , ē - согласованная система векторов и пусть точка МPп порождается вектором , тогда = х1∙ē1+ х2∙ē2 +…+ хп+1 ∙ēп+1

Определение: Набор чисел ( х1 : х2 : … : хп+1 ) называется координатами точки в данном репере.

По аналогии с проективной прямой и проективной плоскостью, координаты точки в Pп определяются с точностью до пропорциональности.

Точки могут лежать на одной прямой или не лежать на одной прямой.

1. А, В, С P1 , тогда векторы , , L2 , , - линейно-зависимы α, β такие, что = α∙ā + β∙

=α∙+ β∙, или rg= 2.

2. А, В P1 и С P1 , тогда векторы , , L2

, , - линейно-независимы α+ β

≠ α∙+ β∙, или rg≠ 2.

Пусть даны две различные точки А и В, по свойствам Рп через две различные точки проходит одна и только одна прямая - (АВ).

Пусть точка Х (АВ), тогда = λ+ μ или Х=λА+ μВ – параметрическое уравнение прямой в пространстве.

Замечание: В проективном пространстве прямая может задаваться только параметрическим уравнением (сравнить с заданием прямой в евклидовом пространстве).

Однородное уравнение вида и1 х1+ и2 х2+…+ ип+1 хп+1 = 0 не будет задавать прямую.

Преобразование координат

Рассмотрим проективную прямую Р1 и два репера

R(Е1 2 ) и R′(Е′1 ,Е′2 , Е′). Пусть известны координаты точек второго репера в первом репере:

Е′1 , Е′2, Е′, т.е. ē′1 = α11 ē1+ α21 ē2, ē′2 = α12 ē1 + α22 ē2 , ē′ = α10 ē1 + α20 ē2 .

В общем случае репер R′(Е′1 ,Е′2 ,Е′) может оказаться не согласованным (ē′1+ ē′2 ≠ ē′). Согласуем точки второго репера, т.е. найдем такие числа k1 и k2 , что ē′ = k1ē′1 + k2ē′2 , для этого необходимо решить систему: .

Пусть матрица системы А, тогда ∆А0 (почему?).

Система имеет единственное решение (k1 , k2) и тогда будем считать координатами точек Е′1 и Е′2, репер в этом случае будет согласованным.

Замечание: В дальнейшем будем считать, что второй репер – согласован (если нет, то мы знаем, как его согласовать).

Пусть точка Х в репере R и та же точка в репере R′ имеет координаты .

Тогда вектор , порождающий эту точку может выражаться через вектора первого и второго базисов: = х1 ∙ē1 + х2 ∙ē2 или = у1∙ē′1 + у2∙ē′2

= у1∙ē′1 + у2∙ē′2 = у111∙ē1 + α21∙ē2)+ у21∙ē1 + α22∙ē2) = =(у1α11+ у2α12)∙ē1+ (у1α21+ у2α22)∙ē2 = х1∙ē1+ х2∙ē2 х1 = у1α11 + у2α12 и х2 = у1α21 + у2α22 ,

или = , в матричной записи: ХR =AXR ,

где ХR - столбец координат точки Х в первом (старом) репере,

а XR - столбец координат той же самой точки Х во втором (новом) репере.

Матрица А будет матрицей перехода от старого репера к новому реперу.

Замечание: Матрица А является невырожденной. (Почему?).

Вывод: Зная матрицу перехода и координаты точки в новом репере можно находить координаты точки в старом репере:

ХR =AXR │∙А-1 слева

А-1ХR = А-1AXR = XR XR = А-1ХR .

Вывод: Формулы преобразования координат точек при переходе к другому реперу имеют вид:

λ ХR =AXR и μ XR = А-1ХR .

Аналогичные рассуждения можно применить для Р2,

Пусть Е'1, Е'2, Е'3, Е'.

Для согласования второго репера будем находить k1 , k2 , k3 .

Получим матрицу третьего порядка А.

Формулы преобразования координат точек будут такими же:

λ ХR =AXR и μXR = А-1ХR .

Рассмотрим прямую и∙Х=0.

Пусть её координаты в старом репере - иR и в новом - uR .

Уравнение прямой в старом репере иR ∙ХR=0, в новом иR ∙ХR=0.

Подставим формулы преобразования координат, получим 0= иRХR = иRAXR = иR ХR ,

где иRA=иR или λ иR= иRA, тогда μ иR = иR A-1 .

Вывод: Формулы преобразования координат точек и прямых на проективной плоскости имеют вид:

Для точек λ ХR =AXR и μ XR = A -1ХR .

Для прямых λ иR= иR A и μ иR = иR A -1.

Замечание: Обратите внимание на умножение матриц: для точек матрица перехода умножается слева, а для прямых справа.

Задача. Даны два репера R(Е1 , Е2 , Е3 , Е) и R′(Е′1 , Е′2 , Е′3 , Е′). Известны координаты точек второго репера в первом:

Е′1 , Е′2, Е′3, Е′.

Найти формулы преобразования координат при переходе от одного репера к другому. Найти координаты точки М во втором репере если известны её координаты в первом МR . Найти координаты точки К в первом репере если известны её координаты во втором КR .

Найти уравнение прямой а : 5 х1 - 2 х2+3 х3 = 0 в новом репере.

Решение. Проверим, согласованы ли точки второго репера:

++= - второй репер не согласован.

Согласуем его, для этого решим систему ,

её решением будет: k1 = 2, k2 = 2, k3= -1,

тогда матрица перехода будет A ,

обратной является A-1==.

Так как координаты определяются с точностью до пропорциональности коэффициент можно отбросить.

Формулы преобразования координат примут вид:

λХR=XR и μXR =ХR .

μМR = A -1МR ==.

λКR= AКR ==, с учетом пропорциональности координаты точки К в старом репере будут .

λ аR= аRA ==, с учетом пропорциональности координаты прямой будут аR : 10 х′1 + 9 х′2 = 0