Skip to content

方法Method

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。

知道一条曲线的方程,可以代入检查某个点;要列出它的全部有理点,还需要一个能够反向恢复的参数。本页先说明什么时候能做到,再把“五点确定一条圆锥曲线”变成一份矩阵证书。这里的有理点始终相对于指定的域,实点不自动是有理数点。

形式陈述 ​

方程、点和允许的换坐标 ​

设K是特征不为2的域。点[x]=[X:Y:Z]属于射影平面P2(K),其中x=(X,Y,Z)T≠0,相差非零标量的向量代表同一点。取对称矩阵H∈K3×3,定义二次型与双线性配对

q(x)=xTHx,B(x,y)=xTHy.

方程q=0定义一条射影圆锥曲线,简称圆锥;其K点集记为C(K)。本页要求det⁡H≠0,称它非退化。方程按非零标量倍数视为相同,而不是靠K点集相等来辨认方程;后一个标准在有限域上尤其不能擅用。

可逆矩阵M把点送到x′=Mx。代入x=M−1x′,新方程矩阵是

(1)H′=M−THM−1.

因此非退化性保持。若写的是从新坐标到旧坐标x=Tu,对应公式则是TTHT,两种写法的方向不要混淆。

给一个点后的完整输出 ​

已有点合同。 输入非退化H以及p≠0,满足pTHp=0。可以只用K内的四则运算与线性方程,构造可逆矩阵T及d∈K×,使

(2)q(T(X,Y,Z)T)=d(Y2−XZ).

于是全部K点恰为

(3)Φ([s:t])=[T(s2,st,t2)T],[s:t]∈P1(K).

这使用二次Veronese模型,输出包括s=0,不是只有一个有限参数t/s的列表。给[x]∈C(K),先算u=T−1x=(X,Y,Z)T,其逆参数为

(4)[s:t]={[X:Y],X≠0,[Y:Z],Z≠0.

这两片覆盖圆锥,在重叠处两对坐标成比例。没有开平方或选正负号的步骤。

反过来,若有式(2)的可逆K换坐标,就已有K点[T(1,0,0)T]。所以“能在K上化成这个标准圆锥”恰以C(K)≠∅为条件。式(2)的算法使用给定点,不负责为任意域上的方程找到第一个点。

五点恢复合同 ​

给五个互异点p1,…,p5∈P2(K),并要求任意三个不共线。则有唯一一条非退化圆锥经过它们,唯一性指方程系数相差非零标量。

把方程写为

aX2+bY2+cZ2+dXY+eXZ+fYZ=0.

每个pi=[Xi:Yi:Zi]给一行

(5)(Xi2,Yi2,Zi2,XiYi,XiZi,YiZi).

这张5×6矩阵秩恰为5,核中的任一非零向量就是所求系数。对称矩阵的非对角位置应分别放d/2,e/2,f/2;整项系数直接放两遍会改变方程。

直觉

一条过已知点的直线只剩一个未知交点 ​

把一族直线绕着已有点p转动,每条线与二次方程的交点中已有一个确定的根。除去这个根后,另一个交点可用有理式求出。某个方向恰好成为切线时,两个交点重合,参数仍应返回p,不能把它当作计算失败丢掉。

射影参数把垂直方向和其他方向放在同一条P1上。式(3)再把这条直线的每个参数都转成非零三维向量;逆式(4)保证没有遗漏,也没有让两个不同参数重复代表同一点。

无开方的坐标构造 ​

先找向量v使B(p,v)=1。它存在,因为H可逆,线性泛函B(p,⋅)不为零。令

v′=v−q(v)2p.

由q(p)=0及B(p,v)=1展开,得q(v′)=0、B(p,v′)=1。这两个向量张成的平面上,配对矩阵为(0110),因而非退化。

再解B(p,r)=B(v′,r)=0,取非零解r。两个线性条件独立,所以解空间是一维,且p,r,v′构成一组基。令d=q(r)。若d=0,则r与这三个基向量都正交,迫使Hr=0,与非退化性矛盾。因此d≠0。

现在定义

(6)T=(pr−d2v′).

交叉项只有p与v′的配对,于是

q(Xp+Yr−d2Zv′)=dY2−dXZ.

这证明式(2)。所有选择都通过明确线性条件完成,没有假设K中的非零数都有平方根。不同选择可能给不同参数,但每份输出都能以同一矩阵恒等式及式(4)核验。

五个条件为什么确实独立 ​

先用前四个点建立射影坐标框架。前三个代表向量线性无关;第四个在这组基下的三个系数都非零,否则它与其中两点共线。把三列分别乘这些系数,就可把四点化为

[1:0:0], [0:1:0], [0:0:1], [1:1:1].

写第五点为[a:b:c]。无三点共线保证abc≠0且a,b,c两两不同:例如a=b会让第五点与[0:0:1]、[1:1:1]共线。

经过前三点的二次式只能是uXY+vXZ+wYZ。余下两个条件为

u+v+w=0,abu+acv+bcw=0.

这两行不成比例,否则ab=ac=bc,与上述条件矛盾。故解空间一维,可取

(7)(u,v,w)=(c(a−b), b(c−a), a(b−c)).

三个系数均非零。相应对称矩阵的行列式为uvw/4≠0,所以唯一方程同时非退化。换回原坐标便证明秩、唯一性及非退化三个结论,而不只是数“六个未知减五个方程”。

例子与边界

一个有全部反向坐标的例子 ​

取标准圆锥XZ=Y2,并令

M=(110011101),det⁡M=2.

其像在新坐标(x,y,z)中为

(8)x2+y2−xz−yz=0,

因为

M−1(x,y,z)T=12(x−y+z, x+y−z, −x+y+z)T.

全部点参数为

(9)[s2+st:st+t2:s2+t2].

当x−y+z≠0时,逆参数是[x−y+z:x+y−z];否则使用[x+y−z:−x+y+z]。参数[0:1]送到[0:1:1],它在仿射图z=1中是普通有限点。参数中的“无穷远”不能直接当成目标图中的“无穷远”。

在K=Q时,式(9)列出式(8)的全部有理射影点;在K=R时列出全部实点。相同公式可以用于奇特征域,但每次仍在所指定域内解释。

五点约束的秩与完整圆锥参数

有实点也可能没有有理点 ​

圆锥X2+Y2=3Z2的对称矩阵可逆,也有实点,例如[3:0:1]。它却没有有理点。

若有有理点,清分母并约去公因子,得到不全为零的本原整数解(X,Y,Z)。模3的平方只能是0或1,等式迫使3∣X,Y。写X=3u,Y=3v后,Z2=3(u2+v2),又迫使3∣Z,与本原性矛盾。这里被拒绝的是以Q为系数域的参数合同,换成R后并不矛盾。

五点不同仍然不够 ​

在Q上,若四个不同点都在Y=0,第五点不在这条线上,则所有方程Yℓ(X,Y,Z)=0,其中ℓ=0是任一经过第五点的直线,都会经过五点。唯一性失败,而且这些方程退化。

若H本身奇异,例如q=XY,它描述两条线,不能把式(6)的可逆构造直接套上。特征2也需要单独处理:一般二次型不再由本页的对称极化矩阵恢复。不过标准模型XZ=Y2及其二次Veronese参数本身在特征2仍有效,旧Proj双图计算已经给出这一点;本页限制的是一般构造的论证条件。

推论与应用

一份有限输入的证书 ​

五点问题可实际使用线性方程组消元:先检查十个三点行列式都非零,再对式(5)消元,输出核向量、对应H及det⁡H。因为矩阵尺寸固定,使用固定次数的域运算;有理数输入的位成本仍随分子分母长度变化,不能称为恒定位成本。

给点参数化的核验同样有限:检查p≠0、q(p)=0、det⁡T≠0,再比较TTHT与式(2)的系数矩阵。参数个数虽无限,三元二次式恒等式和两张逆图已覆盖所有参数;抽查许多个有理数不能替代这个完整性证明。

若五点中的某个三点行列式为零,算法应报告该充分合同不满足,再另行研究解空间。不能把消元仍吐出一个向量当成唯一非退化圆锥已经认证。

向点线对偶继续 ​

已有H以后,极点极线把每个点变成一条线,并把圆锥上的点变成切线;Pascal与Brianchon关联进一步把六点、六线的全局关系变成叉积证书。它们处理新的点线输出,而式(3)负责提供完整、可逆的圆锥点输入。

参考资料
  • Richard Earl,Projective Geometry,Oxford,Trinity Term 2025,Propositions45–49,印刷pp.25–27;Remark53,p.29;Theorem56与Remark57,p.30。非退化、五点结论及从已有点投影的参数化。本文另外给出无开方的矩阵构造与五点独立性的完整证明。
  • Andrew Dancer,Richard Earl、Balázs Szendrői增补,Projective Geometry,Theorem4.5,pp.8–9;Theorem9.10,pp.16–17。射影框架与参数化的双线性机制。
关系图谱14 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系