直线可以由两个点确定,也可以把它的三个方程系数当成一个新的射影点。非退化圆锥为这两种对象之间提供一份可逆对应。它让“一个点在一条线上”反向变成另一份关联,还能把所有切线组织成另一条圆锥。
形式陈述
点到线、线到点
设K 为特征不为2的域,使用非退化射影圆锥 理路 射影圆锥的有理点与参数化 Projective conic parametrization · Rational parametrization of a conic · 非退化射影圆锥 · 五点确定圆锥曲线 在特征不为二的域上,由一个已有点构造一般非退化圆锥的完整参数与逆,并从无三点共线的五个点恢复唯一方程。 的矩阵合同:H = H T ∈ K 3 × 3 且det H ≠ 0 ,方程为x T H x = 0 。本页需要这份方程与非退化接口,不要求先执行求参数算法。
一条射影直线用非零列向量ℓ 表示,其点满足ℓ T x = 0 ;ℓ 的非零倍数表示同一条线。所有这些比例类组成对偶射影平面 。原平面的一个点p ,在对偶平面中对应“所有经过p 的直线”,即方程p T ℓ = 0 所定义的线。
相对于H ,定义
(1) polar ( [ p ] ) = [ H p ] , pole ( [ ℓ ] ) = [ H − 1 ℓ ] . 左式输出线系数,右式输出点坐标。H 可逆保证两者非零且互逆;缩放p , ℓ 或整个方程矩阵,都不改变相应几何对象。每个射影点都有极线,无须它位于圆锥上,甚至无须C ( K ) 非空。
对任意两点p , r ,有互反关联
(2) r ∈ polar ( p ) ⟺ r T H p = 0 ⟺ p ∈ polar ( r ) . 而p ∈ polar ( p ) 当且仅当p ∈ C ( K ) 。这是自关联的条件,不是所有点都在自己的极线上。
切线与对偶方程
对p ∈ C ( K ) ,其切线正是
(3) ( H p ) T x = 0. 本页以直线限制二次式在p 处有二重零点定义相切,因而适用于一般K ,不需要实数的极限概念。全部K 切线的系数点组成对偶圆锥
(4) C ∗ ( K ) = { [ ℓ ] : ℓ T H − 1 ℓ = 0 } . 映射p ↦ H p 把C ( K ) 双射到C ∗ ( K ) ,反向接触点为H − 1 ℓ 。再次对偶回到原来的圆锥,因为( H − 1 ) − 1 = H 。
换坐标的方向
若点变换为x ′ = M x ,则点、线、圆锥矩阵和对偶矩阵分别按
(5) p ′ = M p , ℓ ′ = M − T ℓ , H ′ = M − T H M − 1 , ( H ′ ) − 1 = M H − 1 M T 转换。直接核得H ′ p ′ = M − T H p ,所以先求极线再换坐标,与先换坐标再求极线完全相容。点与线使用不同方向,正是保持ℓ T p = 0 的需要。
直觉
对偶点只是直线的系数,不是接触点
原平面中的切线ℓ ,到对偶平面里变成点[ ℓ ] 。它在原圆锥上的接触点却是[ H − 1 ℓ ] 。两者分别位于两个平面;使用相同三元组符号不能省去这次逆矩阵转换。
对偶把“许多点共线”变成“许多直线共点”。例如三个线系数ℓ 1 , ℓ 2 , ℓ 3 在对偶平面共线,意思是存在非零p ,使三份等式ℓ i T p = 0 同时成立;回到原平面,这正是它们经过同一个p 。
切线公式为什么不是记忆规则
固定圆锥点p ,取与p 线性无关的v 。经过p 的直线上,点可写为[ s p + t v ] ,限制方程为
(6) q ( s p + t v ) = 2 s t B ( p , v ) + t 2 q ( v ) . 已知根p 对应t = 0 。它是二重根当且仅当B ( p , v ) = 0 ,这恰好要求直线的整个二维向量空间包含在p ⊥ = { x : B ( p , x ) = 0 } 中。H p ≠ 0 使p ⊥ 本身就是二维,因此唯一切线是式(3)。
还需排除限制式恒为零。若某个二维子空间W 上的二次式恒零,由特征不为2的极化,B 在W × W 上也恒零。于是可逆线性映射H 把二维W 送进一维湮灭子{ ℓ : ℓ T W = 0 } ,不可能。因此非退化平面圆锥不含整条直线,式(6)的二重交点确实有定义。
最后,把切线系数写为ℓ = H p ,就有
ℓ T H − 1 ℓ = p T H p . 这同时证明式(4)和逆接触点公式,不只是“切线应该也画成一条曲线”的直观。
例子与边界
两条有理切线、两条无理切线与没有实切线
在标准圆锥X Z = Y 2 上取
H 0 = ( 0 0 1 / 2 0 − 1 0 1 / 2 0 0 ) . 点P = [ a : b : c ] 的极线为c X − 2 b Y + a Z = 0 。将圆锥参数[ s 2 : s t : t 2 ] 代入,接触点参数必须满足
(7) c s 2 − 2 b s t + a t 2 = 0. 极线上的圆锥点,恰好是从P 引出的切线的接触点:由式(2),R 在P 的极线上,当且仅当P 在R 的切线上。
对P = [ − 1 : 0 : 1 ] ,式(7)为s 2 − t 2 = 0 ,接触点是[ 1 : 1 : 1 ] 与[ 1 : − 1 : 1 ] 。两切线X − 2 Y + Z = 0 和X + 2 Y + Z = 0 都经过P ,极线为X − Z = 0
对P = [ − 2 : 0 : 1 ] ,式(7)为s 2 − 2 t 2 = 0 。在实数域有两个接触点,在有理数域没有接触点,因而没有从P 出发的有理系数切线。极线X − 2 Z = 0 本身仍完全有理
对P = [ 1 : 0 : 1 ] ,式(7)为s 2 + t 2 = 0 ,没有实参数,所以没有实切线;复数域上则有两条
对一般实点P ,二元式(7)的判别式为4 ( b 2 − a c ) 。正、零、负分别给两条、一条、零条实切线;零的情形正是P 在圆锥上。若某个首项系数为零,仍按齐次二元式计根,包括参数无穷远,不能只看一个仿射二次方程。
这份实数分类使用非空实圆锥先化到标准模型。若原方程在实数域没有点,例如X 2 + Y 2 + Z 2 = 0 ,极点极线依然存在,但没有实接触点或实切线供这份分类使用。
下图把第二个标准例通过前页的矩阵M 送到x 2 + y 2 = x + y ,外点成为U = [ 2 : − 1 : 1 ] 。绿色极线仍有有理系数,两个接触点却需要Q ( 2 ) ;蓝线与圆锥在标出的点相切。
图片加载失败 极线的系数域与接触点的系数域 奇异矩阵不会给可逆极性
对退化方程X Y = 0 ,可取H = ( 0 1 / 2 0 1 / 2 0 0 0 0 0 ) 。点[ 0 : 0 : 1 ] 被送成零向量,它不是一条射影直线的系数;H − 1 也不存在。此时仍可研究各分支的切线,但不能继续宣称式(1)给全平面的点线双射。
特征2中一般二次型的极化不含全部信息,本页的H 0 甚至含不可用的1 / 2 。有限域上的点线代数仍有价值,但必须保持已声明的奇特征条件。
推论与应用
割线上出现一对调和点
取圆锥上的不同点A , B ,再取它们连线上的P ≠ A , B 。选代表使P = A + λ B ,其中λ ≠ 0 。由于圆锥不含直线,B ( A , B ) ≠ 0 。沿割线计算
B ( A + λ B , s A + t B ) = ( t + λ s ) B ( A , B ) . 故P 的极线与割线交于Q = A − λ B 。这里Q ≠ P , A , B ,因为特征不为2且λ ≠ 0 。
使用Möbius标定中的交比 理路 Möbius变换与圆域标定 Möbius transformation · Fractional linear transformation · Linear fractional transformation 在扩充复平面上完整定义分式线性变换,核验极点与逆、矩阵复合方向、广义圆保持和三点唯一标定。 约定
(8) χ ( A , B ; P , Q ) = det ( A , P ) det ( B , Q ) det ( A , Q ) det ( B , P ) , 其中行列式在这条割线的二维坐标中计算。以A = ( 1 , 0 ) 、B = ( 0 , 1 ) 代入,得到
χ ( A , B ; A + λ B , A − λ B ) = − 1. 这称为调和分割。它不说P , Q 是欧氏中点或距离相等,而是说在任意射影坐标中,四点保留同一个比例不变量。
例如标准圆锥与Y = 0 交于A = [ 1 : 0 : 0 ] , B = [ 0 : 0 : 1 ] 。取P = [ 1 : 0 : − 1 ] ,极线为X − Z = 0 ,割线上的另一点Q = [ 1 : 0 : 1 ] 恰组成这对调和点。
计算输出和域扩张
已给H 时,求极线只需一次矩阵向量乘法;求多个极点可先分解或求逆H 再复用。尺寸固定时,这些都是固定次数的域运算,有理数位成本仍须计入数的长度。
求接触点多了一项任务:解式(7)的二元二次方程。线系数属于K 不保证其与圆锥的交点也属于K 。在Q 上,判别式是否为有理平方区分有理接触点与需要二次扩域的点;不能在输出中省掉这个域扩张条件。
在Pascal–Brianchon转换 理路 Pascal–Brianchon圆锥关联 Pascal theorem for a conic · Brianchon theorem · Pascal's mystic hexagon · 帕斯卡六边形定理 · 布里昂雄定理 证明非退化圆锥六点的对边交点共线及六切线的对角线共点,并以齐次叉积和行列式给出含无穷远点的关联与逆命题证书。 中,先把六个圆锥点送成六条切线,再将共线证书转成共点证书。式(5)使同一份关联可以在便于计算的坐标中证明,再无歧义地送回原图。
参考资料