射影幾何與對偶

無窮遠線(line at infinity)

在透視畫中,每一組平行線都奔向自己的消失點,而所有這些消失點都排在畫面上一條水平線上——地平線。無窮遠線正是幾何學家對那地平線的精確版本:所有無窮遠點所在的唯一一條線,每個方向各貢獻一個點。

具體地說:當我們把歐氏平面補全為射影平面時,每個方向添一個無窮遠點。把這些新點收攏起來,它們並非雜亂散布——而是構成一條線,依定義即無窮遠線。在齊次座標 (x : y : z) 中,普通點的 z 不為零,而無窮遠線恰好是方程式 z = 0;其上的點即各個 (x : y : 0)。它的行為與射影平面任何別的線無異:它與每條普通線恰交於一點(即那條線自己的無窮遠點),其上任兩點仍決定它。

這裡有個令人解放的事實。在射影平面中,無窮遠線並無任何特殊之處——它只是我們碰巧稱作「無窮」的一條普通射影線。射影變換可把它與任何別的線對調,把遙遠的無窮遠點送到附近的普通位置(相機把地平線拍到有限的底片上,正是這麼做)。所以「平行」根本不是射影概念:兩線平行只不過意味著它們交在我們碰巧標為無窮的那條線上,而換個視角就能讓那交點落到眼前。仿射幾何正是這樣恢復的:選定一條線當「無窮遠線」並拒絕移動它。

所有水平線(斜率 0)交於一個無窮遠點;所有斜率為 1 的線交於另一個;所有鉛直線交於第三個。這三點——以及每個其他方向的點——共線:它們都落在唯一的無窮遠線上,即齊次座標中的方程式 z = 0。

每個方向的消失點都落在一條線上——射影平面的地平線。

別把無窮遠線想成你會掉出去的「邊界」或「邊緣」。射影平面沒有邊緣;無窮遠線是其中一條再普通不過的線,只憑一個我們可隨意重新指派的標籤而被挑出。

又稱
ideal linehorizon line理想線地平線