愛爾蘭根綱領:變換群與幾何學

反演平面(inversive plane)

圓上的反演對普通平面做了一件彆扭的事:它把圓心送到無處,而沒有任何點供它落腳。補救之道很優雅——加入一個單一的新點,稱為無窮遠點,讓所有遙遠的方向都同意共用它,並讓反演把圓心送到那裡。普通平面連同這一個額外的點,就是反演平面,是反演與莫比烏斯變換得以完美運作的自然舞台。

具體地說,反演平面是普通平面恰好附加一個無窮遠點——不像射影幾何那樣是一整條無窮遠線,而是單一一點,把平面封閉成拓樸上像球面的東西。在這個舞台上發生兩項愉快的簡化。第一,基本曲線的目錄塌縮了:直線與圓之間不再有種類上的差別,因為直線如今只是一個通過無窮遠點的圓。第二,共形幾何的變換——反演與由它建構的莫比烏斯變換——成為毫無例外的雙射,因為從前逃到無處的那一點如今有了歸宿。把這點變得生動的模型是球極投影:放一個球與平面相切,從它的北極投影;平面的每一點對應到球上一點,而北極本身正是無窮遠點。平面上的直線與圓都對應到球上的圓。

反演平面是共形與莫比烏斯幾何的家園空間,正如射影平面是射影幾何的家園空間——各自藉由添加理想點來完備普通平面,使某類變換得以毫無例外地作用。把它與射影平面分清是要緊的:射影幾何加入一整條無窮遠線,每個方向一點,所以平行線在那裡相交;而反演平面只加入所有方向共用的單一一點,所以它服務於保角映射而非保接合映射。它們是供不同幾何使用的不同完備化;切勿把單一的反演無窮遠點與射影的無窮遠線混為一談。

把一個球放在平面上,從它的北極投影到下方的平面(球極投影)。平面的每一點恰好對應球上一點;唯有北極下方沒有普通點,而那個北極就是單一的無窮遠點。平面上的一條直線對應到球上一個通過北極的圓,印證了「直線只是通過無窮遠的圓」。

加一個無窮遠點把平面變成球面,直線與圓在其上合而為一族。

反演平面只加一個由所有方向共用的無窮遠點,適合保角映射;別把它與射影平面混淆,後者加一整條無窮遠線(每個方向一點),適合接合。

又称
one-point compactification of the planeRiemann sphere (as a real surface)圓反演幾何的平面加一無窮遠點的平面