過五點的圓錐曲線(conic through five points)
兩點決定一線;那要幾點才能決定一條圓錐曲線?答案是五——給出五個點(其中任三點不在同一條線上),就恰有一條圓錐曲線通過它們全部。這是圓錐曲線版的「兩點定一線」,也是射影幾何中構造與辨認圓錐曲線的基礎。
為何是五?一條圓錐曲線是含六個係數的齊次二次方程式 a x^2 + b y^2 + c z^2 + d x y + e x z + f y z = 0,但把它們同乘一個常數給出同一條曲線,故實際上有五個自由的比值要定。你要求圓錐曲線通過的每個點,都是對那些係數的一個線性條件。五個點給出五個未知數的五條線性方程式——一般而言恰好足以唯一決定圓錐曲線。還有一個純綜合的作法,透過帕斯卡定理(「神秘六邊形」):給定五點,把它們當成六邊形的五個角,讓過其中一點的一條可變線扮演第六個角;帕斯卡的共線條件便僅用直尺,構造出你想要多少就有多少的圓錐曲線上的進一步點,不解任何方程式。
這個事實是圓錐曲線幾何的主力——它是如何由資料釘住一條圓錐曲線、史坦納射影定義如何產生一條具體曲線、以及圓錐曲線一如直線是根本上射影對象的理由。兩點誠實的限定。其一,「任三點不共線」這但書不可或缺:若五點中有三點共線,過它們的唯一「圓錐曲線」會退化成一對線而非光滑曲線,故一般性要緊。其二,五點決定圓錐曲線,但本身並不告訴你它的仿射類型——所得曲線讀作橢圓、拋物線或雙曲線,取決於它如何與無窮遠線相交,而僅五個有限點在你未一併固定那條線之前並不能確定它。
取任三點不共線的五個點,例如 (1, 0)、(-1, 0)、(0, 1)、(0, -1)、(1/2, 1/2 sqrt 3)。把每點代入 a x^2 + b y^2 + c + d x y + e x + f y = 0(仿射形式)得五條線性方程式;解之得(至多差一尺度)x^2 + y^2 = 1——單位圓正是通過那五點的那條圓錐曲線。
五個一般位置的點恰好釘住一條圓錐曲線——六個係數、一個尺度、五個條件。
「任三點不共線」並非點綴:若五點中有三點共線,所決定的圓錐曲線退化為線對。而五點固定的是射影圓錐曲線,並非其仿射類型(橢圓/拋物線/雙曲線)——後者另取決於所選的無窮遠線。