射影幾何與對偶

射影圓錐曲線(projective conic)

在尋常幾何中,橢圓、拋物線、雙曲線看似三條不同的曲線——一條封閉、一條單支開放、一條兩支奔向無窮。射影幾何帶來出奇的統一:在射影平面中,這些全是「同一種」對象,一個稱為圓錐曲線的單一形狀。表面的差異只是各曲線恰好在何處穿過無窮遠線的偶然,而射影變換能隨意移動那條線。

有兩種等價的方式釘住射影圓錐曲線。代數方式:圓錐曲線是滿足一個齊次二次方程式 a x^2 + b y^2 + c z^2 + d x y + e x z + f y z = 0 的點 (x : y : z) 之集合。熟悉的三者,由與無窮遠線 z = 0 相交而分出——橢圓不與之相交(無實無窮遠點),拋物線與之相切(一個重點,在那裡相切),雙曲線與之交兩次(其兩個漸近方向)。綜合方式,出自史坦納(Jakob Steiner),完全不用座標:取兩個相異點,並在過它們的線束之間取一個射影對應(保交比的對應);對應線相交之處所描出的,恰好是一條圓錐曲線。這種「射影生成」正是圓錐曲線一如直線、完全受接合與交比支配的深層理由。

射影觀點之所以重要,在於它讓一套理論做三套的工,並揭露度量圖像所掩藏的對稱——極點極線對偶、過五點的圓錐曲線、帕斯卡定理皆居於此。兩點誠實的提醒。其一,在射影上非退化圓錐曲線只有一種;「橢圓對雙曲線」是度量或仿射的區分,唯有在挑出一條無窮遠線後才恢復,並非射影的區分。其二,圓錐曲線可退化——若其定義二次式可分解,「圓錐曲線」便塌成一對線(或一條重線);這些退化情形正是帕斯卡定理化為帕普斯定理之處。

方程式 x^2 + y^2 - z^2 = 0 是一條射影圓錐曲線。令 z = 1,它讀作 x^2 + y^2 = 1,即單位圓(橢圓型曲線)。令 z = 0(無窮遠線),它讀作 x^2 + y^2 = 0,無實解——故圓永不抵達無窮,正是橢圓的射影標誌。改換座標使曲線兩次穿過 z = 0,同一條圓錐曲線如今看來就像雙曲線。

橢圓、拋物線、雙曲線是同一條射影圓錐曲線;其差別只在於它們如何與無窮遠線相交。

在射影上非退化圓錐曲線只有一種——橢圓/拋物線/雙曲線之分是仿射的,由曲線如何與所選無窮遠線相交決定,並非射影的。史坦納的線束射影對應定義與二次方程式定義等價,但要小心:退化的射影對應給出退化的「圓錐曲線」(線對),而非真正的曲線。

又稱
conic in the projective planeSteiner conic射影二次曲線史坦納圓錐曲線