円錐曲線の定義

準備が長かったですが,これから射影幾何学における円錐曲線の定義をします.
2つの線束が与えられたとき,線束間に配景写像はいくらでも存在します.
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$l$を与えれば, $P\in l$のとき
$O_1P\mapsto O_2P$
により$l$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(前頁命題2参照).

射影幾何学における円錐曲線の定義は次の通りです.
定義
2つの線束間の配景写像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を円錐曲線という.
円錐曲線とは,楕円,放物線,双曲線のことであるが射影幾何学ではこれらの区別はしない.

表面的には問題ないが実態がつかみづらい.なかなか分かりづらい定義です.この意味を理解しましょう.
先ず,2つの線束間の配景写像でない射影写像の例を挙げます.
円を利用すると分かりやすい.
中心が$O_1,O_2$の線束に対して,$O_1,O_2$を通る円を定めれば円上の点$P$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 (右図で,同じ数字の角が等しい).

もう2つ配景でない射影写像の例を挙げる.
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.

これで円錐曲線の定義
定義
2つの線束間の配景写像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を円錐曲線という.
が大分わかってきたと思います.

円錐曲線(楕円,双曲線,放物線)が与えられたとき,中心$O_1,O_2$が この円錐曲線上にある線束 に対して,円錐曲線上の点$P$を用いて,2線束間の対応を
$O_1P\mapsto O_2P$
で定めれば,この線束$O_1$から線束$O_2$への写像は射影写像である.
ことを示す.
次の図は極射影
$f:\pi \longrightarrow \pi '$
で円の像が円錐曲線(楕円)になっている.
極射影で線束間の対応は複比を保つ.
隣の図はそれを表している.実際
線束$O(OA,OB,OC,OD),O'(O'A',O'B',O'C',O'D')$は
$O(OA,OB,OC,OD)\doublebarwedge (A,B,C,D)\doublebarwedge (A,B,C,D) \doublebarwedge O'(O'A',O'B',O'C',O'D') $
したがって
$[OA,OB;OC,OD]=[O'A',O'B';O'C',OD']$

上図で,円の場合にはすでに,
線束$A\longrightarrow$線束$B;AP\mapsto BP$($P$は円周上)
は配景写像でない射影写像が分かっているから円錐曲線についても
線束$A'\longrightarrow$線束$B';A'P'\mapsto B'P'$($P'$は円錐曲線上)
が配景写像でない射影写像であることがわかる.

すでにパスカルの定理を述べたが,射影写像,配景写像を学ぶと 円錐曲線の場合の証明も簡単です.
定理(パスカル) 円錐曲線上に6点$A,B,C,D,E,F$があり,$AB,DE$の交点を$X$,$BC,EF$の交点を$Y$, $CD,FA$の交点を$Z$とする.このとき3点$X,Y,Z$は一直線上にある.
証明
2直線$CD,EF$の交点を$P$, 2直線$BC,ED$の交点を$Q$とする.
$B,F$をそれぞれ中心とする線束について
$B(BA,BC,BD,BE)$
$\barwedge F(FA,FC,FD,FE)$
が成り立ち,さらに
$B(BA,BC,BD,BE)$
$\doublebarwedge XD(X,Q,D,E)$
および
$F(FA,FC,FD,FE)$
$\doublebarwedge ZD(Z,C,D,P)$
が成り立つから
$XD(X,Q,D,E)$
$\barwedge ZD(Z,C,D,P)$
ここで,$D$が共通であるから
$XD(X,Q,D,E)\doublebarwedge ZD(Z,C,D,P)$
したがって,3直線$XZ,CQ(CB),EP(EF)$は1点で交わる.
すなわち,$Y$が直線$XZ$上にある.

三角形の内角の2等分線,外角の2等分線から始め,射影幾何学の円錐曲線までの内容をまとめてみました.
射影幾何学とは射影平面上の幾何学です. 射影平面とは難しく考える必要はありません.通常考えている平面に 無限遠点,無限遠直線を加えたものです.
射影幾何学に興味を持ったら,図書館で射影幾何学の本を眺めてみましょう. それは幸い,数学の分野の中で,抽象化の進んでいない身近な内容です. 先人の築いた知的財産に触れることにより大きな刺激を受けるでしょう,

(内角,外角の二等分線,複比,そして射影幾何の項目終わり)




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