射影幾何與對偶

極點與極線(pole and polar)

一條圓錐曲線不只是靜置於平面——它在點與線之間建立一本完美的字典。它為每個點指派一條特定的線,為每條線指派一個特定的點,且這對應是自己的逆。那個點稱為極點,那條線稱為它的極線,而這極點極線對應是對偶最乾淨的具體實現:圓錐曲線本身把「點」變「線」、再變回來。

對圓錐曲線外一點 P 的作法如下。從 P 畫出兩條與圓錐曲線相切的切線;連接兩個切點的弦就是 P 的極線。對內部一點 P,則改用過 P 的任兩條割線來求極線:每條割線與圓錐曲線交於兩點,在每條割線上,那兩個交點連同 P 決定一個調和共軛點;極線與這些調和共軛相連,而第四調和點的軌跡就是極線。此關係是互逆的(真正的配極):若 P 的極線通過 Q,則 Q 的極線通過 P——這對稱就是共軛點關係。在座標下它優美地簡單:對具對稱矩陣 S 的圓錐曲線,點 p 的極線是線 S p,而一點落在自己的極線上,恰當它落在圓錐曲線上,此時極線就是那裡的切線。

極點極線對偶之所以重要,在於它賦予對偶一具具體的引擎——它把關於圓錐曲線上的點的定理,轉成關於切線的定理,並且是僅用直尺處理圓錐曲線作圖的恰當工具(調和共軛的機制包辦一切,不需度量)。兩點誠實的說明。其一,整個關係是相對於所選圓錐曲線定義的;在你說明「對哪條圓錐曲線」之前,「P 的極線」毫無意義。其二,圓錐曲線上的點很特殊:其極線恰是該點處的切線,正是 P 處兩條切線合而為一的極限情形。

取單位圓 x^2 + y^2 = 1 與外部點 P = (2, 0)。其極線是鉛直線 x = 1/2(一般地,此圓對 (x_0, y_0) 的極線是 x_0 x + y_0 y = 1)。驗互逆性:該極線通過例如 (1/2, h);而 (1/2, h) 的極線是 (1/2)x + h y = 1,它確實通過 P = (2, 0),因 (1/2)(2) + h(0) = 1。

對外部一點:其極線是連接兩切點的弦。

極點與極線總是相對於某條特定圓錐曲線而取——並無絕對的極線。一點落在圓錐曲線上,恰當它落在自己的極線上,此時其極線即該點處的切線。此關係互逆:P 在 Q 的極線上等同於 Q 在 P 的極線上(共軛點)。

又称
polaritypole-polar duality配極極點極線