§2. 2次曲線の射影による定義

2次曲線の射影的定義を述べる.
定義
中心が異なる2つの線束間の配景写像でない射影的対応(複比を保つ対応)が 与えられたとき,この対応直線の交点の軌跡を2つの線束の中心を通る2次曲線という.

射影幾何では,2次曲線の定義は一般的にこの定義が用いられます.この定義を理解することが大切です.
2つの線束が与えられたとき,線束間の射影的対応(射影写像)はいくらでも存在します.
配景写像は射影写像であるので,配景写像を考えればよい. すなわち,$O_1,O_2$が中心の線束のとき,$O_1,O_2$を通らない直線$m$を与えれば, $P\in m$のとき
$O_1P\mapsto O_2P$
により$m$が配景軸の配景写像が与えられる.
これは,2つの線束に配景写像を与えたとき, 対応直線の交点の軌跡は直線であるということもできる.

問題は2つの線束間の配景写像以外の射影写像が存在するかということです.もちろん存在して,交点の軌跡が2次曲線の定義となるということです.
ユークリッド平面で確かめます.
円が条件を満たすことは分かりやすい.
命題1
中心が$O_1,O_2$の線束に対して,$O_1,O_2$を通る円を定める.このとき円上の点$P$に 対して線束間の対応を
$O_1P\mapsto O_2P$
で定めれば,この対応は配景写像でない射影写像である.
証明
複比を角で表せば
$[O_1P,O_1Q;O_1R,O_1S]$
$=\dfrac{\sin \angle PO_1R}{\sin \angle QO_1R}\cdot \dfrac{\sin \angle QO_1S}{\sin \angle PO_1S}$
であり,対応角が等しいので複比が等しい.$\blacksquare$

このように,2つの線束の中心を通る円を用いれば線束間の射影写像が作ることができる.
これを一般の2次曲線で行う.
2次曲線は,円錐の平面による切り口である. 右図は直円錐を2平面で切り切り口が円と楕円の場合である.
$O$を中心とする極射影で円の像が楕円である.
楕円上に点$P',E,F,G,H$を取り,直線$OP',OE,OF,OG,OH$と円との交点をそれぞれ$P,A,B,C,D$ とすれば
$[PA,PB;PC,PD]$
$=[P'E,P'F;P'G,P'H]$
実際,$O$を通る平面と$PA,PB,PC,PD;$
$P'E,P'F,P'G,P'H$の交点をそれぞれ$A',B',C',D';E',F',G',H'$とすれば
$[PA,PB;PC,PD]=[A',B';C',D']$
$=[E',F';G',H']=[P'E,P'F;P'G,P'H]\blacksquare$
命題1と合わせて,次の命題を得る.
命題2
$O_1,O_2$は2次曲線$C$上の点である.
$P$を$C$上の点とする.$O_1,O_2$を中心とする2つの線束間の写像を
$O_1P\mapsto O_2P$
定めれば,この写像は配景写像でない射影写像である.

いくつか例を挙げます.

上図は正$n$角形で作ったものです.
$O_1(O_12,O_23,O_34,\dots)\barwedge O_2(O_216,O_215,O_214,\dots)$
になっている($O_1,O_2$から出ている直線のなす角が一定).

上図は,交わる2直線上の点が等間隔である.
$O_1(O_1A_1,O_1A_2,O_1A_3,\dots)\barwedge O_2(O_2B_1,O_2B_2,O_2B_3)$
になっている.

もう少しユークリッド平面での議論を続ける.
射影幾何は点と直線は同等に扱うと述べた.すでに示したのは,点の軌跡として2次曲線を考えたが,接線の包絡線として2次曲線(以後2級曲線と呼ぶ)を定義することもできる.なお,曲線の接線や接点は射影写像で保たれる.
命題3
2次曲線の任意の4本の接線と第5の接線との交点の複比は,第5の直線の取り方によらない一定である.

2つの例を挙げる .
例1
$y=x^2$上の任意の点を$T(t,t^2)$とする.放物線上に点$A(a,a^2)$をとり, $T$における接線$m$と$A$における接線の交点$A'$の$x$座標は$\frac{t+a}{2}$である.
放物線上に4点$A,B,C,D$を取り,その$x$座標をそれぞれ$a,b,c,d$とする.$A,B,C,D$における接線と直線$m$との交点を$A',B',C',D'$とする.$A',B',C',D'$の$x$座標はそれぞれ$\frac{t+a}{2},\frac{t+b}{2},\frac{t+c}{2},\frac{t+d}{2}$である.
直線$m$上の4点$A',B',C',D'$の複比
$[A',B';C',D']=\dfrac{A'C'}{B'C'}\cdot \dfrac{B'D'}{A'D'}=\dfrac{c-a}{c-b}\cdot \dfrac{d-b}{d-a}$
となる.すなわち,$T$の取り方によらない.
次のように言うことができる.
$y=x^2$の接線を$l,m$とする.
$l$上の任意の点$P$に対して,$P$を通る$y=x^2$の接線と$m$との交点を$Q$とすると
対応$P\mapsto Q$
は$l\to m$の配景写像でない射影写像である.
2級曲線は2直線の射影写像の対応点を結ぶ直線の包絡線として定義される.

例2
$O$が中心の単位円の円周上に2点$A,T$をとり,$A,T$における接線の交点を$A'$ とする.このとき
$\angle AOT$は$\stackrel{\frown}{AT}$の円周角に等しい.
つぎに$O$を中心とする単位円周上に$A,B,C,D$および$T$を取る.$A,B,C,D$における円$O$の接線と$T$における接線$m$との交点をそれぞれ$A',B',C',D'$とする,
このとき
$\angle A'OT=\stackrel{\frown}{AT}$の円周角
$\angle B'OT=\stackrel{\frown}{BT}$の円周角
$\angle C'OT=\stackrel{\frown}{CT}$の円周角
$\angle D'OT=\stackrel{\frown}{DT}$の円周角
したがって
$\angle A'OB'=\stackrel{\frown}{AB}$の円周角
等が分かり,複比$[OA',OB';OC',OD']$は$T$の位置にはよらない,任意の接線で一定であることが分かる.

円でも放物線で述べたことと同じことが成り立つことが分かる.

2つの中心が異なる線束間の配景でない射影的対応が定義されたとき,対応直線の交点の軌跡は §1で定義した2次曲線で表せることを示す.

2次曲線$C$が与えられたとき,射影座標系を上手にとることにより,$C$は
$z^2=xy$
となる.($C$の外部に点$P$をとり,$P$から$C$に引いた接線の接点を$Q,R$とする.$P,Q,R$を基点,単位点$E$が$C$上の射影座標系$[P,Q,R;E]$)
$C$上の点は$(\alpha ^2,\beta ^2,\alpha \beta)$と表せる.(第1節参照)
命題4
2点$P_1,P_2$が2次曲線$\Gamma$上の定点で点$X$は$\Gamma$上の動点である.この時
点$P_1$を中心とする直線束から$P_2$を中心とする直線束への対応
直線$P_1X \mapsto$直線$P_2X$
は配景でない射影写像である.
証明
$P_1,P_2$における接線の交点を$Q$とする.
対応
直線$P_1X \mapsto$直線$P_2X$

$P_1P_2\mapsto P_2Q,P_1Q\mapsto P_2P_1$
であることに注意する.($X\to P_2,X\to P_1$を考える)


単位点$E$を曲線$\Gamma$上にとり,射影座標系$[P_1,P_2,Q;E]$で考える.
この命題は,$X$が$\Gamma$上にあるとき
$[P_1P_2,P_1Q;P_1E,P_1X]=[P_2Q,P_2P_1;P_2E,P_2X]$
を示すことである.
この座標系で,2次曲線$\Gamma$の方程式は
$z^2=xy$
であるから,$C$上の点$X$は
$X(a^2,b^2,ab)$
と媒介変数表示できる.
$P_1,P_2,Q,X$の座標は
$P_1(1,0,0).P_2(0,1,0),Q(0,0,1),E(1,1,1),X(a^2,b^2,ab)$
であるから,各直線の座標は上図のようになる.
$P_1E=(0,1,-1)=-P_1P_2+P_1Q,$
$P_1X=(0,a,-b)=-bP_1P_2+aP_1Q,$
$\therefore [P_1P_2,P_1Q;P_1E,P_1X]=\dfrac{b}{a}$
さらに
$P_2E=(1,0,-1)=P_2Q-P_2P_1,$
$P_2X=(-b,0,a)=-bP_2Q+aP_2P_1$
$\therefore [P_2Q,P_2P_1;P_2E,P_2X]=\dfrac{b}{a}$
ゆえに
$[P_1P_2,P_1Q;P_1E,P_1X]=[P_2Q,P_2P_1;P_2E,P_2X]$
したがって,写像
直線$P_1X \mapsto$直線$P_2X$
は射影写像である.さらに,2つの中心を通る直線$P_1P_2$は対応していないから,この写像は配景でない.$\blacksquare$

つぎに逆の命題を証明する.
命題5
異なる中心の2つの線束間の配景でない射影写像が与えられたとき,対応直線の交点の軌跡は 線束の中心を通る2次曲線である.

証明
中心が$P_1$の線束から中心が$P_2$の線束への配景でない射影写像を$f$とする. 直線$P_1P_2$を$l$,$f$による$l$の像を$m$,$f$による$n$の像が$l$とする.
すなわち
$f:l\mapsto m,n\mapsto l$
$P_1$が中心の線束を$\{l,n,l_3,l_4,\cdots\}$, $P_2$が中心の線束を$\{m,l,m_3,m_4,\cdots\}$とする.
$m,n$の交点を$Q$,
$f:l_3\mapsto m_3$
とし,$l_3,m_3$の交点を$E$とする.
射影座標系を$[P_1,P_2,Q;E]$とし,$P_1$を通る任意の直線$l_4$とその$f$ の像$m_4$の交点の座標を求める.
先ず
$\{l,n,l_3,l_4\}\barwedge \{m,l,m_3,m_4\}$
であることに注意する.
$P_1(1,0,0),P_2(0,1,0),Q(0,0,1),E(1,1,1)$
である.
$l_3(0,1,-1),m_3(1,0,-1)$
である.
このとき
$l_3=-l+n$
$m_3=m-l$
さらに,
$l_4=-bl+an$
$m_4=-dm+cl$
とすると
$[l,n;l_3,l_4]=[m,l;m_3,m_4]$
より,
$\dfrac{b}{a}=\dfrac{d}{c}$
したがって
$m_4=-bm+al$
$l_4,m_4$の射影座標は
$l_4=-bl+an=-b(0,0,1)+a(0,1,0)=(0,a,-b)$
$m_4=-bm+al=-b(1,0,0)+a(0,0,1)=(-b,0,a)$
より$l_4,m_4$の交点$X$の座標は
$(0,a,-b)\times (-b,0,a)=(a^2,b^2,ab)$
$X$の方程式は
$z^2=xy$
である.これは射影座標系$[P_1,P_2,Q,E]$における方程式であり2点$P_1,P_2$を通る. この命題より,2つの異なる点を中心とする線束間の配景でない射影変換の対応直線の交点の軌跡が 2次曲線であることがわかった.$\blacksquare$

なお,2つの異なる点を中心とする線束間の配景変換の対応直線の交点の 軌跡は直線になり,この場合は退化するとして,2次曲線の 特別な場合として扱う.これは次のページで議論する.


3.退化する2次曲線

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