德萨格定理
几何学术语
德萨格定理(Desargues theorem),是射影几何的重要定理之一。以法国几何学家德萨格(Gérard Desargues,1591~1661)命名。定理指出:若两三角形的对应顶点连线共点(此点称为透视中心),则其对应边之交点必共线(此线称为透视轴)。此定理的逆定理亦成立。满足德萨格定理的两个三角形称为透视的。
简介
德萨格定理(Desargues theorem)是射影几何的重要定理之一。若两三角形的对应顶点连线共点(此点称为透视中心),则其对应边之交点必共线(此线称为透视轴)。此定理的逆定理亦成立。满足德萨格定理的两个三角形称为透视的。
这种交叉定理在通常的欧几里德平面中是正确的,但在特殊情况下需要特别注意,因为当一对边平行时,它们的“交点”返回到无限远。 通常,为了消除这些例外情况,数学家们通过在“庞加莱”之后加入“无限”点,“完成”欧几里得平面,这产生了投影平面。
德萨格定理对于真正的投影平面是正确的,对于从场或分区环算出的任何投影空间,对于任何不等于二的尺度的投影空间,以及Pappus定理所拥有的任何投影空间。 然而,有一些非德萨格平面,德萨格定理是不成立的。
历史
德萨格从未发表过这个定理,但是它出现在题为“使用视角的M. Desargues的通用方法”(附录)中的一个附录,该书是他的朋友和学生亚伯拉罕博斯(1602年-1676年)发表的关于1648年出版的观点的实用书籍。
投影与仿射空间
在像欧几里德平面这样的仿射空间中,类似的声明是真实的,但只有当列出了涉及平行线的各种例外情况。因此,德萨格的定理是最基本的简单和直观的几何定理,其自然出发点是投射而不是仿射空间。
自对偶
根据定义,当且仅当它们处于中心透视(或等效地根据该定理,轴向透视)时,两个三角形是透视的。请注意,透视三角形不需要相似。
在平面投影几何(其中点对应于线和共线性对应于线的并行性)的标准二元性下,德萨格定理的陈述是自相矛盾的:轴向视角被转换为中心透视性,反之亦然。
德萨格定理的证明
德萨格定理适用于任何场或分区环上的任何维度的投影空间,并且还适用于尺寸至少为3的抽象投影空间。在维度2中,它所保持的平面称为德萨格平面,与可以通过划分环给定坐标。还有许多非德萨格平面,其中德萨格的定理不成立。
三维证明
任何投射空间至少为3的德萨格定理都是真实的,对于任何可以嵌入在至少为3的维度空间中的任何投影空间,更为一般。
德萨格的定理可以说如下:
如果线Aa,Bb和Cc是并发的(在某点相交),那么
点AB∩ab,AC∩ac和BC∩bc是共线的。
由于假设Aa和Bb的并发性,点A,B,a和b是共面的(位于同一平面)。因此,线AB和ab属于同一平面,必须相交。此外,如果两个三角形位于不同的平面上,则点AB∩ab属于两个平面。通过对称参数,AC∩ac和BC∩bc点也存在并属于两个三角形的平面。由于这两个平面在多于一个点相交,它们的交点是包含所有三个点的线。
如果两个三角形不包含在同一平面内,这就证明了德萨格定理。如果它们在同一个平面上,则可以通过选择不在平面上的点来证明德萨格的定理,使用它将三角形从平面中提升出来,使上述参数起作用,然后再投射回平面。如果投影空间的尺寸小于3,则证明的最后一步将失败,因为在这种情况下可能无法在平面外部找到一个点。
蒙格定理也断言三点在一条线上,并有一个证明,使用相同的想法考虑它在三个而不是两个维度,并将线作为两个平面的交点。
二维证明
由于德萨格定理不是非德萨格投影平面,为了证明它,需要满足一些额外的条件。这些条件通常采取假设存在一定类型的足够多的共线的形式,这反过来又表明底层的代数坐标系必须是分割环(歪斜域)。
与帕普定理的关系
Pappus的六边形定理表明,如果以顶点a,b和c位于一条线上的方式绘制六边形AbCaBc,并且顶点A,B和C位于第二条线上,则六边形的每两个相对边位于两条线在一点相遇,以这种方式构造的三个点是共线的。 Pappus定理普遍成立的一个平面叫做Pappian平面,德萨格定理可以从Pappus定理的三个应用推导出来。
逆定理是不正确的,也就是说,并不是所有的德萨格平面都是Pappian平面。普拉斯定理满足相当于使底层坐标系可交换。因此,在非交换分割环(不是字段的分割环)上定义的平面将是德萨格,而不是Pappian。然而,由于Wedderburn的小定理,其中指出所有有限分割环都是场,所有有限的德萨格平面是Pappian。尽管Bamberg&Penttila(2015)给出了仅使用“基本”代数事实的证据,而不是Wedderburn的小定理的完整实力,但并不完全是几何证明这一事实。
参考资料
最新修订时间:2024-08-06 16:11
目录
概述
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