Метрика Кэли – Клейна
В математике метрика Кэли-Клейна — это метрика дополнения к фиксированной квадрике в проективном пространстве , которая определяется с помощью перекрестного отношения . Истоком конструкции послужило 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 евклидовой геометрии . Область неевклидовой геометрии во многом опирается на метрики Кэли – Клейна.
Фонды
[ редактировать ]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 можно выразить 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, получаемом в результате геометрического расположения 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 метрики Кэли-Клейна , которые оставляют инвариант . 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 ]
- В реальной проективной линии три абсолюта, в реальной проективной плоскости — семь, в реальном проективном пространстве — 18. Таким образом можно определить все классические неевклидовы проективные пространства, такие как гиперболические, эллиптические, галилеевы и Минковские, а также двойственные им.
Кэли-Клейна- Диаграммы Вороного представляют собой аффинные диаграммы с линейными биссектрисами гиперплоскости . [ 18 ]
Перекрестное соотношение и расстояние
[ редактировать ]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, при этом 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 перепропорционированы поровну, 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:
- который переводит [ w ,1] в [1 : 1].
Композиция первой и второй гомографии переводит a в 1, тем самым нормализуя произвольное a в интервале. Составленные гомографии называются отношений p q , гомографиями перекрестных 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 коника K ), задана 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 .
Дисковые приложения
[ редактировать ]Предположим, в качестве абсолюта выбрана единичная окружность. Это может быть в П. 2 ( Р ) как
- что соответствует
С другой стороны, единичная окружность в обычной комплексной плоскости
- использует комплексных чисел арифметику
и находится в комплексной проективной прямой P( C ), чем-то отличном от реальной проективной плоскости P 2 ( Р ). Понятие расстояния для P( R ), введенное в предыдущем разделе, доступно, поскольку P( R ) включен как в P 2 ( Р ) и Р ( С ). Скажем, a и b находятся внутри круга в P. 2 ( Р ). 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 .
Специальная теория относительности
[ редактировать ]В своих лекциях по истории математики 1919/20 года, опубликованных посмертно в 1926 году, Кляйн писал: [ 19 ]
- Дело в четырехмерном мире или (оставаться в трех измерениях и использовать однородные координаты ) недавно приобрело особое значение благодаря теории относительности в физике.
То есть абсолюты или в гиперболической геометрии (как обсуждалось выше) соответствуют интервалам или в пространстве-времени , и его преобразования, оставляющие абсолютный инвариант, можно отнести к преобразованиям Лоренца . Аналогично 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 внутренней частью 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 Кляйном в 1910 году: [ 20 ] а также в издании 1928 года его лекций по неевклидовой геометрии. [ 21 ]
Аффинная CK-геометрия
[ редактировать ]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:
- Если абсолют содержит линию, то получается подсемейство аффинных геометрий Кэли – Клейна . Если абсолют состоит из линии f и точки F на f , то мы имеем изотропную геометрию . Изотропный круг — это коника, касающаяся в точке F. f [ 22 ]
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. прямоугольная гипербола в плоскости ( x,y Считается, что ) 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 расщепленные комплексные числа для псевдоевклидовой геометрии. Эти обобщенные комплексные числа связаны со своей геометрией так же, как обычные комплексные числа связаны с евклидовой геометрией.
История
[ редактировать ]Кэли
[ редактировать ]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 ]
оригинальный | современный |
---|---|
Тогда расстояние между двумя точками определяется выражением
оригинальный | современный |
---|---|
В двух измерениях
оригинальный | современный |
---|---|
с расстоянием
оригинальный | современный |
---|---|
из которых он обсудил особый случай с расстоянием
Он также упомянул случай (единичная сфера).
Кляйн
[ редактировать ]Феликс Кляйн (1871) переформулировал выражения Кэли следующим образом: Он написал абсолют (который он назвал фундаментальным коническим сечением) в терминах однородных координат: [ 23 ]
оригинальный | современный |
---|---|
и формируя абсолюты и для двух элементов он определил метрическое расстояние между ними через перекрестное отношение:
оригинальный | современный |
---|---|
На плоскости выполняются те же соотношения для метрических расстояний, за исключением того, что и теперь связаны с тремя координатами каждый. В качестве фундаментального конического сечения он рассмотрел частный случай , что 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. Альтернативно он использовал уравнение окружности в виде , что относится к гиперболической геометрии, когда положителен (модель Бельтрами – Клейна) или эллиптической геометрии, когда является отрицательным. [ 25 ] В пространстве он обсуждал фундаментальные поверхности второй степени, согласно которым мнимые относятся к эллиптической геометрии, действительные и прямолинейные соответствуют однополостному гиперболоиду без привязки к одной из трех основных геометрий, а действительные и непрямолинейные 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 количеством положительных и отрицательных знаков остается равной (это теперь называется законом инерции Сильвестра ). 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 следующие выражения для абсолюта: [ 27 ] и обсудили их инвариантность относительно коллинеаций и преобразований Мёбиуса, представляющих движения в неевклидовых пространствах.
Во втором томе, содержащем лекции летнего семестра 1890 года (также опубликованного в 1892/1893 году), Кляйн обсуждал неевклидово пространство с метрикой Кэли. [ 28 ] и продолжил показывать, что варианты этой четвертичной квадратичной формы можно привести к одной из следующих пяти форм с помощью действительных линейных преобразований: [ 29 ]
Форма использовался 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 как абсолют в плоской геометрии, и а также для гиперболического пространства. [ 32 ] Лекции Кляйна по неевклидовой геометрии были посмертно переизданы в одном томе и существенно отредактированы Вальтером Роземаном в 1928 году. [ 9 ] Исторический анализ работ Кляйн по неевклидовой геометрии был дан А'Кампо и Пападопулосом (2014). [ 16 ]
См. также
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Кэли (1859) , с. 82, §§209–229
- ^ Кляйн (1871)
- ^ Кляйн (1873)
- ^ Маленький (1893a)
- ^ Маленький (1893b)
- ^ Фрике и Кляйн (1897)
- ^ Кляйн (1910)
- ^ Кляйн (1926)
- ^ Перейти обратно: а б Кляйн (1928)
- ^ Кляйн (1928) , с. 163
- ^ Кляйн (1928) , с. 138
- ^ Кляйн (1928) , с. 303
- ^ Пьерпон (1930) , с. 67 и далее
- ^ Кляйн (1928) , стр. 163, 304.
- ^ Рассел (1898) , с. 32
- ^ Перейти обратно: а б А'Кампо и Пападопулос (2014)
- ^ Струве и Струве (2004) , с. 157
- ^ Нильсен (2016)
- ^ Кляйн (1926) , с. 138
- ^ Кляйн (1910)
- ^ Кляйн (1928) , глава XI, §5
- ^ Мартини и Спирова (2008)
- ^ Кляйн (1871) , с. 587
- ^ Кляйн (1871) , с. 601
- ^ Кляйн (1871) , с. 618
- ^ Кляйн (1873) , §7
- ^ Кляйн (1893a) , стр. 64, 94, 109, 138.
- ^ Кляйн (1893b) , с. 61
- ^ Кляйн (1893b) , с. 64
- ^ Кляйн (1893b) , стр. 76 и далее, 108 и далее.
- ^ Кляйн (1893b) , стр. 82 и далее, 142 и далее.
- ^ Фрике и Кляйн (1897) , стр. 1–60, Введение.
Ссылки
[ редактировать ]Исторический
[ редактировать ]- фон Штаудт, К. (1847). Геометрия локации . Нюрнберг: Нюрнберг Ф. Корн.
- Лагер, Э. (1853). «Заметки по теории фокусов» . Новые летописи математики . 12 :57–66.
- Кэли, А. (1859). «Шестые мемуары о квантике» . Философские труды Лондонского королевского общества . 149 : 61–90. дои : 10.1098/rstl.1859.0004 .
- Кляйн, Ф. (1871). «О так называемой неевклидовой геометрии» . Математические летописи . 4 (4): 573–625. дои : 10.1007/BF02100583 . S2CID 119465069 .
- Кляйн, Ф. (1873). «О так называемой неевклидовой геометрии» . Математические летописи . 6 (2): 112–145. дои : 10.1007/BF01443189 . S2CID 123810749 .
- Кляйн, Ф. (1893a). Шиллинг, о. (ред.). Неевклидова геометрия I, лекция, прочитанная в зимнем семестре 1889–1890 гг . Геттинген.
{{cite book}}
: CS1 maint: местонахождение отсутствующего издателя ( ссылка ) (второй тираж, первый тираж 1892 года) - Кляйн, Ф. (1893b). Шиллинг, о. (ред.). Неевклидова геометрия II, лекция, прочитанная в летнем семестре 1890 года . Геттинген.
{{cite book}}
: CS1 maint: местонахождение отсутствующего издателя ( ссылка ) (второй тираж, первый тираж 1892 года)
Вторичные источники
[ редактировать ]- Киллинг, В. (1885). Неевклидовы пространственные формы . Лейпциг: Тойбнер.
- Фрике, Р.; Кляйн, Ф. (1897). Лекции по теории автоморфных функций - первый том: Основы теории групп . Лейпциг: Тойбнер.
- Рассел, Бертран (1898), «Очерк основ геометрии», переизданный в 1956 году издательством Dover Publications, Inc.
- Альфред Норт Уайтхед (1898) Универсальная алгебра , Книга VI, Глава 1: Теория расстояния, стр. 347–70, особенно раздел 199 «Теория расстояния Кэли».
- Хаусдорф, Ф. (1899). «Аналитический вклад в неевклидову геометрию» . Лейпциг Матем.-Физ. Отчеты . 51 : 161–214. hdl : 2027/hvd.32044092889328 .
- Дункан Соммервилл (1910/11) «Метрики Кэли – Клейна в n -мерном пространстве», Труды Эдинбургского математического общества 28: 25–41.
- Кляйн, Феликс (1921). дои : 10.1007/978-3-642-51960-4_31 . ISBN 978-3-642-51898-0 . Перепечатано в Кляйн, Феликс (1921). Сборник математических трактатов . Том 1. стр. 533–552. дои : 10.1007/978-3-642-51960-4_31 . Английский перевод Дэвида Дельфениха: О геометрических основах группы Лоренца. . Годовой отчет Немецкой ассоциации математиков . 19 :533-552.
- Веблен, О.; Янг, JW (1918). Проективная геометрия . Бостон: Джинн.
- Либманн, Х. (1923). Неевклидова геометрия . Берлин и Лейпциг: Берлин В. де Грюйтер.
- Кляйн, Ф. (1926). Курант Р.; Нойгебауэр, О. (ред.). Лекции о развитии математики в 19 веке . Берлин: Шпрингер. ; Английский перевод: Развитие математики в XIX веке М. Акермана, Math Sci Press.
- Кляйн, Ф. (1928). Розманн, В. (ред.). Лекции по неевклидовой геометрии . Берлин: Шпрингер.
- Пирпон, Дж. (1930). «Неевклидова геометрия, ретроспектива» (PDF) . Бюллетень Американского математического общества . 36 (2): 66–76. дои : 10.1090/S0002-9904-1930-04885-5 .
- Литтлвуд, JE (1986) [1953], сборник Литтлвуда , Cambridge University Press , ISBN 978-0-521-33058-9 , МР 0872858
- Харви Липкин (1985) Метрическая геометрия из Технологического института Джорджии.
- Струве, Хорст; Струве, Рольф (2004), «Проективные пространства с метриками Кэли – Клейна», Journal of Geometry , 81 (1): 155–167, doi : 10.1007/s00022-004-1679-5 , ISSN 0047-2468 , MR 2134074 , S2CID 121783102
- Мартини, Хорст; Спирова, Маргарита (2008). «Геометрия окружности в аффинных плоскостях Кэли – Клейна». Периодика Математика Венгерка . 57 (2): 197–206. дои : 10.1007/s10998-008-8197-5 . S2CID 31045705 .
- Струве, Хорст; Струве, Рольф (2010), «Неевклидовы геометрии: подход Кэли-Клейна», Journal of Geometry , 89 (1): 151–170, doi : 10.1007/s00022-010-0053-z , ISSN 0047-2468 , МР 2739193 , S2CID 123015988
- А'Кампо, Н.; Пападопулос, А. (2014). «О так называемой неевклидовой геометрии Клейна». Ин Джи, Л.; Пападопулос, А. (ред.). Софус Ли и Феликс Кляйн: Эрлангенская программа и ее влияние на математику и физику . стр. 91–136. arXiv : 1406.7309 . дои : 10.4171/148-1/5 . ISBN 978-3-03719-148-4 . S2CID 6389531 .
- Нильсен, Франк; Мюзеллек, Борис; Нок, Ричард (2016), «Классификация с использованием смесей кривых показателей Махаланобиса», Международная конференция IEEE по обработке изображений (ICIP), 2016 г. , стр. 241–245, doi : 10.1109/ICIP.2016.7532355 , ISBN 978-1-4673-9961-6 , S2CID 7481968
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Дрёслер, Ян (1979), «Основы многомерного метрического масштабирования в геометрии Кэли – Клейна», Британский журнал математической и статистической психологии , 32 (2): 185–211