不變量的階梯(ladder of invariants)
幾何的階層是一座由套疊變換群構成的塔;不變量的階梯則是與之對應、標示每一階仍能度量什麼的樓梯。當你從底層嚴格的歐氏幾何爬到頂層寬容的射影幾何,群越變越大,而一階接一階地,總有一個不變量掉落。把這兩座階梯並排來讀,是一眼看清整幅愛爾蘭根圖像最乾淨的方式。
具體地從上往下走,從不變量最少的最大群走到不變量最多的最小群。頂端的射影幾何,配射影群,只保持接合(哪些點落在哪些線上)、共線性、以及四共線點的交比;它甚至不知道「平行」是什麼意思。往下一階到仿射幾何,群變小了:此時平行性倖存,連同中點、沿單一條線量得的長度比值、與面積之比——但角與絕對長度仍看不見。再往下一階到相似幾何:此時角與形狀映入眼簾,還有任意兩段長度之比,但絕對長度仍缺席。再往下一階到歐氏幾何,最小的群:在這裡絕對長度、距離與面積終於成為真正的不變量,與承襲自上層的一切會合。旁側另有一條共形幾何,其莫比烏斯群不在這條單一鏈上,但它保持角與交比、卻捨棄直線性。支配整座階梯的規則很簡單:較大群的每個不變量都自動是其下每個較小群的不變量,所以不變量只會隨著你下降而累積。
這座階梯是愛爾蘭根綱領的實用回報:它告訴你,對任一幾何量,它究竟屬於哪一種幾何,因而當你對它推理時被允許使用哪些變換。若一條定理只提到接合,它是射影的,你可用任意射影映射;若它提到平行性卻不提長度,它是仿射的;若它提到角,它是相似或歐氏的。常見的錯誤是反向往上讀這座階梯——在仿射論證中使用像「這個角是直角」這類歐氏事實,而在仿射中角不是不變量、該主張根本毫無意義。在推理之前,先把量對準它的階。
讓一個四邊形沿階梯往上走。對歐氏幾何而言它有確定的邊長與角。對相似幾何只剩它的形狀與角倖存。對仿射幾何只剩它的平行邊與沿各邊的比值,於是每個平行四邊形看來都一樣。對射影幾何只剩哪些頂點共線、以及其各邊上點的交比。每往上一步就抹去多一層細節。
爬上群塔會一階接一階地抹去不變量:先是長度、再是角、再是平行性,最後只剩接合。
這座階梯只能往下讀、絕不能往上讀:較大群的不變量屬於每個較小群,但像角這樣的歐氏量在仿射幾何中毫無意義,因為仿射群並不保持它。