锥线篇(05)二次曲线与中心射影变换
先看一道典例。(手动@鸽姬布)
用对合的方式看(这段看不懂忽略即可)点P作为对合中心,确立了A,B之间的一个对合,记为σP。A,B经过定点Q透视后的像C,D之间也应该满足对合关系,记这个对合的中心也就是CD过的定点为P′,这个对合为σP′,由对合定义
C,DσQA,BσPB,AσQD,CD,CσQB,AσPA,BσQC,D
故有
σP′=σQ∘σP∘σQ
其中A∘B表映射的复合。
简而言之就是AB过定点则CD过定点。

直接追踪四点 A,B,C,D 可以证明CD过定点,但更自然的做法是寻找一个把 A 变为 C、把 B 变为 D 的二维射影变换。
同调(中心射影变换)正是描述这类现象的基本工具。它把一个固定中心、一条固定轴和一族共线的对应点联系起来。注意:这里的同调(homology)和抽象代数上的同调(homology)没有任何关系。
同调与二次曲线
射影变换 H 若满足:任意点 X 与其像 X′=H(X) 都和某个固定点 Q 共线,则称 Q 为 H 的中心。若某条直线 q 上的点全部保持不动,则称 q 为 H 的轴。具有这两个性质的射影变换称为同调。
因此,同调的几何特征是:
点与像的连线共中心点,轴上的点逐点不动。
回到二次曲线 E,固定点 Q。对任意 A∈E,直线 QA 与 E 的另一交点为 C,于是
A↦C,Q,A,C 共线.
设 q 是 Q 关于 E 的极线:
q=polar(Q).
点 Q 与直线 q 分别作为中心和轴,确定一个特殊的同调 HQ,满足
HQ(A)=C.
它称为调和同调。若过 Q 的直线与轴 q 交于 R,则对任意点 X 及其像 X′,有
(Q,R;X,X′)=−1.
所以,二次曲线上“取过 Q 的割线的另一交点”这一操作,正是整个射影平面上的调和同调在二次曲线上的限制。
对合中心如何变换
原来 P∈AB。施加同调 HQ 后,射影变换保持共线性,并把直线变为直线,因此
HQ(AB)=CD.
令
P′=HQ(P).
由于 P∈AB,便有
P′∈CD.
这对任意位置的 A,B 都成立,所以新对合 C↔D 的中心就是
P′=HQ(P).
因此,新直线族通过定点只是旧直线族在同调下的像:
AB∋P⟹CD=HQ(AB)∋HQ(P).
若要作出 P′,一种方式是做P′=CD∩PQ,但是此时还没有说明它是CD恒过的定点。下面说明这一点。用交比迫使其成为一个定点。令
R=PQ∩q,
其中 q 是 Q 的极线。由于 P,P′,Q 共线,且 R 在同调的轴上不动,点 P′ 满足调和关系,被唯一确定
(Q,R;P,P′)=−1.
所以作图步骤为:先作 Q 的极线 q,取 R=PQ∩q,再在直线 PQ 上作 P′,使上式成立。
同调的研究价值
同调的价值在于,它把局部的点线关系提升为整个平面的变换关系。若原图中有
A,B,P 共线,
那么经过射影变换后,其像仍然共线。因此,复杂图形若能看成简单图形经过同调得到,许多共线、共点和定线结论都无需重新证明。
本题的核心可以概括为
A↔B⟼C↔D,
其中 A↦C, B↦D 来自同一个调和同调。因此,对合中心也随之变换:
P↦P′=HQ(P).
应记住的原则是:
找到适当的射影变换后,新的定点就是旧定点的像。
同调正是实现这一原则的基本工具之一。