仿射幾何(affine geometry)
想像透過一面能不均勻拉伸並使之傾斜、但絕不彎折直線、也絕不讓平行線相交的鏡片去看一幅平面圖。距離與角被打亂了,但有些東西頑固地倖存:直線仍是直線,平行仍是平行,中點仍是中點。仿射幾何正是這些倖存者的幾何——研究當你把大小與角全忘掉、卻仍尊重直線性與平行性時,還有什麼為真。
在愛爾蘭根的架構中,仿射幾何是其變換群為仿射群的幾何:平面上所有由一個線性部分(可旋轉、可在不同方向不等地縮放、可剪切)接上一個平移所構成的映射,且要求線性部分可逆。這樣的映射把每條線送成線、把平行線送成平行線、並保持沿任一條線量得的長度比值——所以它保持中點、保持以給定比分一線段的點、也保持三角形的形心。它不保持的是絕對距離、角、以及不同方向上長度的比較:正方形在仿射映射下能變成任意平行四邊形,圓能變成任意橢圓。因此仿射不變量是平行性、共線性、介於性、沿線比值、與面積之比;失去的則是長度與角。
仿射幾何在階層中位於射影幾何之下一層、相似幾何之上一層。它是任何用到平行性與比值、卻從不用到長度或角之事實的正確歸宿——三角形三中線共點、四邊形各邊中點構成平行四邊形、形心以 2 比 1 之比分每條中線。一個常見的誤解是以為仿射映射「什麼都能做」,但其實不能:它們永遠保持直線性與平行性,所以絕不能把三角形變成四邊形,也絕不能使兩條平行線相交。
用仿射規則 (x, y) -> (x + y, y) 把單位正方形映成一個傾斜的平行四邊形。角 (1, 0) 送到 (1, 0),角 (0, 1) 送到 (1, 1),正方形被剪切成平行四邊形。長度與直角都不見了,但對邊仍平行,且正方形的中心仍映到平行四邊形的中心。
仿射映射能把正方形剪切成任意平行四邊形,但中點與平行性仍倖存。
仿射映射並非任意扭曲:它們永遠把線送成線、使平行線維持平行,所以絕不能使平行線相交——那需要更大的射影群。