Аффинная группа (Gssnuugx ijrhhg)
Аффи́нная гру́ппа (англ. affine group) — множество всех аффинных преобразований плоскости или пространства, которые составляют группу, обозначаемую Aff. Аффинная группа лежит в основе следующих геометрий[1][2][3][4]:
- обычная, точечная аффинная геометрия;
- линейчатая аффинная геометрия.
Аффинная группа Aff — подгруппа более широкой проективной группы. Аффинная группа состоит из всех проективных преобразований проективной плоскости или проективного пространства, оставляющих на месте соответственно фиксированную прямую или гиперплоскость[3][5].
В свою очередь, известные подгруппы аффинной группы следующие:
- центроаффинная группа — подгруппа аффинной группы, множество всех аффинных преобразований n-мерного аффинного пространства, которые имеют некоторую неподвижную точку — центр аффинного пространства[6][7];
- аффинная унимодулярная группа, или эквиаффинная группа SGL (n)[4], — подгруппа аффинной группы, множество всех аффинных преобразований n-мерного аффинного пространства, которые сохраняют площади и объёмы фигур[8][9][10][11][12];
- центроаффинная унимодулярная группа, или унимодулярная группа SL (n), — подгруппа унимодулярной и центроаффинной групп, множество всех аффинных унимодулярных преобразований n-мерного аффинного пространства, которые сохраняют неподвижной одну точку, называемую центром аффинного пространства[9][6][7];
- ортогональная группа, или группа евклидовых движений[4], — подгруппа аффинной группы, множество всех аффинных преобразований n-мерного аффинного пространства, которые сохраняют фиксированную невырожденную квадратичную форму[13][14][15];
- группа вращений, или специальная ортогональная группа SO (n), — подгруппа ортогональной и центроаффинной унимодулярной групп, множество всех ортогональных преобразований n-мерного аффинного пространства, которые сохраняют неподвижной одну точку[13][14].
Аффинное преобразование плоскости
[править | править код]Общие определения для плоскости
[править | править код]Пусть на проективной плоскости зафиксирована некоторая произвольная прямая. В целях последующего изложения эту прямую назовём бесконечно удалённой прямой и обозначим символом бесконечности . Тогда множество всех тех преобразований проективной группы, которые суть автоморфизмы относительно прямой , есть группа — подгруппа проективной группы. Эта группа автоморфизмов называется аффинной, а её преобразования проективной плоскости — аффинными[5].
Конечные точки проективной плоскости, то есть точки вне прямой , отображаются аффинным преобразованием только в конечное же точки проективной плоскости. Отсюда следует взаимная однозначность аффинных преобразований на множестве всех конечных точек проективной плоскости. Поэтому аффинной плоскостью называется проективная плоскость, разрезанная по бесконечно удалённой прямой . Аффинная и евклидова плоскости имеют общую топологическую структуру [5].
Аналитическое представление аффинной группы для плоскости
[править | править код]Получим аналитическое представление аффинных преобразований, то есть аналитическое представление аффинной группы. За основу возьмём проективное преобразование проективной плоскости, то есть биекцию проективной плоскости на себя, при которой произвольной точке плоскости с однородными координатами соответствует точка плоскости [5][16]:
- ,
- ,
- ,
где коэффициенты суть вещественные константы, причём выполняется условие равенства нулю определителя
- ,
а — любое ненулевое вещественное число[16].
1. Если теперь предположить, что это проективное преобразование таково, что, например, проективная прямая переходит сама в себя, то это проективное преобразование будет аффинным преобразованием, представляющим собой невырожденное однородное линейное преобразование[17][18]:
- ,
- ,
- .
Действительно, проективная прямая перейдёт сама в себя, если из равенства при произвольных координатах и следует равенство . Последнее условие выполняется тогда и только тогда, когда . В итоге, поскольку определитель и поэтому коэффициент , аффинные преобразования в однородных координатах имеют следующий вид, когда у конечных точек третья однородная координата никогда не находится на бесконечно удалённой прямой :
- ,
- ,
- .
2. Неравенство нулю коэффициента , а также, в случае конечной точки, неравенство нулю значения третьей однородной координаты , позволяют арифметизировать в целом аффинную плоскость, то есть сопоставить каждую точку плоскости двум числам, использовав для этого неоднородные координаты и . В итоге получим аналитическое представление аффинной группы в неоднородных координатах, представляющим собой невырожденное неоднородное линейное преобразование[17][18]:
- ,
- ,
- .
Для получения аналитического представления аффинной группы в неоднородных координатах воспользуемся уже полученным аналитическим представлением аффинной группы в однородных координатах:
- ,
- ,
- .
Произведём с этими равенствами следующие действия:
- поскольку , , и , разделим первое и второе равенства на третье;
- введём новые переменные
- , , , ;
- введём новые обозначения коэффициентов
- , , .
В итоге получим аналитическое представление аффинной группы в неоднородных координатах:
- ,
- .
Существенно, что каждое такое преобразование есть аффинное только при условии
- ,
иначе это преобразование не будет биективным, то есть взаимно однозначным.
Получается, что однородные координаты не нужны при изучении аффинной группы. Поскольку в неоднородных координатах каждое аффинное преобразование
- ,
- ,
задаётся шестью независимыми параметрами
- ,
аффинная группа шестичленная[17].
Аффинное преобразование n-мерного пространства
[править | править код]Распространение результатов, полученных для плоскости, не представит никакого труда на случай высших размерностей[19].
Общие определения для пространства
[править | править код]Пусть на проективном пространстве размерности , , зафиксирована некоторая произвольная гиперплоскость размерности (при эта гиперплоскость вырождается в точку, при — в прямую). В целях последующего изложения эту гиперплоскость назовём бесконечно удалённой гиперплоскостью и обозначим символом бесконечности . Тогда множество всех тех преобразований проективной группы, которые суть автоморфизмы относительно гиперплоскости , есть группа — подгруппа проективной группы. Эта группа автоморфизмов называется аффинной, а её преобразования проективного пространства — аффинными[5].
Конечные точки проективного пространства , то есть точки вне гиперплоскости , отображаются аффинным преобразованием только в конечное же точки проективного пространства . Отсюда следует взаимная однозначность аффинных преобразований на множестве всех конечных точек проективного пространства . Поэтому аффинным пространством называется проективное пространство , разрезанная по бесконечно удалённой гиперплоскости . Аффинное и евклидово пространства имеют общую топологическую структуру[5].
Аналитическое представление аффинной группы для пространства
[править | править код]Получим аналитическое представление аффинных преобразований, то есть аналитическое представление аффинной группы. За основу возьмём проективное преобразование проективное пространство , то есть биекцию проективное пространство на себя, при которой произвольной точке пространства с однородными координатами
- , ,
соответствует точка плоскости [5][16]:
- ,
или
- ,
где суммирование записано двумя разными способами (соответственно обычным со знаком суммирования и по правилу суммирования Эйнштейна), коэффициенты суть вещественные константы, причём выполняется условие неравенства нулю определителя
а — любое ненулевое вещественное число[16].
1. Если теперь предположить, что это проективное преобразование таково, что, например, проективная гиперплоскость переходит сама в себя, то это проективное преобразование будет аффинным преобразованием, представляющим собой невырожденное однородное линейное преобразование[17][18]:
- , , ,
или
- , .
Действительно, проективная гиперплоскость перейдёт сама в себя, если из равенства при произвольных координатах следует равенство . Последнее условие выполняется тогда и только тогда, когда . В итоге, поскольку определитель и поэтому коэффициент , аффинные преобразования в однородных координатах имеют следующий вид, когда у конечных точек -я однородная координата никогда не находится на бесконечно удалённой прямой :
- , ,
или
- , .
2. Неравенство нулю коэффициента , а также, в случае конечной точки, неравенство нулю значения -й однородной координаты , позволяют арифметизировать в целом аффинное пространство , то есть сопоставить каждую точку пространства числам, использовав для этого неоднородные координаты . В итоге получим аналитическое представление аффинной группы в неоднородных координатах, представляющим собой невырожденное неоднородное линейное преобразование[17][18]:
- , или ,
- .
Для получения аналитического представления аффинной группы в неоднородных координатах воспользуемся уже полученным аналитическим представлением аффинной группы в однородных координатах:
- , ,
или
- , .
Произведём с этими равенствами следующие действия:
- поскольку , , и , разделим первые равенств на последнее -е;
- введём новые переменные
- , ;
- введём новые обозначения коэффициентов
- , .
В итоге получим аналитическое представление аффинной группы в неоднородных координатах:
- , или .
Существенно, что каждое такое преобразование есть аффинное только при условии
- ,
иначе это преобразование не будет биективным, то есть взаимно однозначным.
Получается, что однородные координаты не нужны при изучении аффинной группы. Поскольку в неоднородных координатах каждое аффинное преобразование
- , или ,
задаётся независимыми параметрами аффинной группы и , аффинная группа -членная[17].
Аналитическое доказательство групповых свойств аффинных преобразований
[править | править код]В предыдущем разделе показано, что множество всех аффинных преобразований пространства образует группу как группа автоморфизмов проективного пространства. С другой стороны. то, что множество всех аффинных преобразований пространства образуют группу, легко установить чисто аналитическими средствами[20].
Воспользуемся тем обстоятельством, что для доказательства групповых свойств некоторой совокупности преобразований некоторого множества, достаточно выполнения следующих двух свойств этой совокупности преобразований[21]:
- если два преобразования и принадлежат данной совокупности, то их композиция, то есть последовательное выполнение, также ей принадлежит;
- если преобразование принадлежит данной совокупности, то преобразование , ему обратное, также ей принадлежит.
Докажем несложными алгебраическими выкладками, что для аффинных преобразований пространства предыдущие два условия выполняются, то есть что совокупность аффинных преобразований пространства образует группу[22].
Композиция аффинных преобразований есть аффинное преобразование
[править | править код]Докажем, что композиция аффинных преобразований пространства есть невырожденное неоднородное линейное преобразование с ненулевым определителем, то есть снова аффинное преобразование пространства[22].
1. Докажем, что композиция аффинных преобразований пространства обладает точно такой же структурой, как и оба аффинных преобразований пространства, использованных в композиции[23].
Рассмотрим два аффинных преобразования и пространства :
- и
вместе с их аналитическими представлениями
- и , .
Возьмём любую точку пространства, тогда первое аффинное преобразование переведёт её в некоторую точку , а второе аффинное преобразование , в свою очередь, переведёт последнюю точку в третью точку . В итоге, используя оба аналитических представления, получаем цепочку равенств:
-
- .
Теперь просто сделаем замены
- , ,
получим:
- .
Последнее равенство есть аналитическая форма композиции преобразований
- .
2. Докажем, что композиция аффинных преобразований пространства есть невырожденное неоднородное линейное преобразование пространства с определителем, отличным от нуля, то есть аффинное преобразование пространства[22].
Равенства
просто означают, что квадратная матрица есть произведение квадратных матриц и , то есть
- .
Следовательно, композиция двух аффинных преобразований пространства и представляет собой линейное преобразование
- ,
квадратная матрица которого равна произведению квадратных матриц преобразований и
Из последней формулы для квадратных матриц вытекает числовое равенство
- ,
где , и суть определители квадратных матриц , и соответственно, и если и , то тогда и
Преобразование, обратное аффинному преобразованию, есть аффинное преобразование
[править | править код]Докажем, что преобразование, обратное аффинному преобразованию пространства, есть невырожденное неоднородное линейное преобразование с ненулевым определителем, то есть снова аффинное преобразование пространства[22].
1. Из аналитического представления аффинного преобразования пространства
величины можно определить через величины линейным неоднородным образом, поскольку определитель этих неоднородных линейных уравнений . То есть преобразование, обратное аффинному преобразованию пространства, есть невырожденное неоднородное линейное преобразование.
2. Очевидно, что невырожденное неоднородное линейное преобразование, получаемое обращением следующих формул:
- ,
обладает квадратной матрицей, которая обратна квадратной матрице исходного преобразования . Определитель этой обратной матрицы равен
Примечания
[править | править код]- ↑ Яглом И. М., Атанасян Л. С. Геометрические преобразования, 1963, 6.2. Геометрия и группы преобразований, с. 103.
- ↑ Яглом И. М., Атанасян Л. С. Геометрические преобразования, 1963, 8.5. Группы неточечных преобразований, с. 139.
- ↑ 1 2 Широков А. П. Аффинная группа, 1977.
- ↑ 1 2 3 Долгачёв И. В., Широков А. П. Аффинное пространство, 1977.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 163. Аффинная группа, с. 415.
- ↑ 1 2 Сидоров Л. А. Центроаффинная геометрия, 1985.
- ↑ 1 2 Сидоров Л. А. Центроаффинное пространство, 1985.
- ↑ Бескин Н. М. Методы изображений, 1963, 5.4. Понятие о центральной аксонометрии, с. 284.
- ↑ 1 2 Сидоров Л. А. Аффинная унимодулярная группа, 1977.
- ↑ Сидоров Л. А. Эквиаффинная геометрия, 1985.
- ↑ Сидоров Л. А. Эквиаффинная плоскость, 1985.
- ↑ Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 165. Аффинная унимодулярная группа, с. 418—419.
- ↑ 1 2 Попов В. Л. Ортогональная группа, 1984.
- ↑ 1 2 Пиголкина Т. С. Ортогональное преобразование, 1984.
- ↑ Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 166. Ортогональная группа, с. 420—421.
- ↑ 1 2 3 4 Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 160. Проективная группа, с. 410—411.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 163. Аффинная группа, с. 416.
- ↑ 1 2 3 4 Пархоменко А. С. Аффинное преобразование, 1977.
- ↑ Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 159, с. 410.
- ↑ Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 160. Проективная группа, с. 411.
- ↑ Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 157. Группы преобразований, с. 409.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 160. Проективная группа, с. 412.
- ↑ 1 2 Ефимов Н. В. Высшая геометрия, 2004, 160. Проективная группа, с. 411—412.
Источники
[править | править код]- Бескин Н. М. Методы изображений // Энциклопедия элементарной математики, книга четвёртая — геометрия / Гл. ред. П. С. Александров, А. И. Маркушевич, А. Я. Хинчин. Ред. книги 4: В. Г. Болтянский, И. М. Яглом. М.: Физматгиз, 1963. 568 с., ил. С. 228—290.
- Долгачёв И. В., Широков А. П. Аффинное пространство // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 1 А—Г. М.: «Советская Энциклопедия», 1977. 1152 стб., ил. Стб. 362—363.
- Ефимов Н. В. Высшая геометрия. 7-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 584 с. ISBN 5-9221-0267-2.
- Пархоменко А. С. Аффинное преобразование // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 1 А—Г. М.: «Советская Энциклопедия», 1977. 1152 стб., ил. Стб. 361—362.
- Пиголкина Т. С. Ортогональное преобразование // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 4 Ок—Сло. М.: «Советская Энциклопедия», 1984. 1216 стб., ил. Стб. 87—88.
- Попов В. Л. Ортогональная группа // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 4 Ок—Сло. М.: «Советская Энциклопедия», 1984. 1216 стб., ил. Стб. 81—84.
- Сидоров Л. А. Аффинная унимодулярная группа // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 1 А—Г. М.: «Советская Энциклопедия», 1977. 1152 стб., ил. Стб. 359.
- Сидоров Л. А. Центроаффинная геометрия // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 5 Слу—Я. М.: «Советская Энциклопедия», 1985. 1248 стб. Стб. 811.
- Сидоров Л. А. Центроаффинное пространство // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 5 Слу—Я. М.: «Советская Энциклопедия», 1985. 1248 стб. Стб. 811.
- Сидоров Л. А. Эквиаффинная геометрия // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 5 Слу—Я. М.: «Советская Энциклопедия», 1985. 1248 стб., ил. Стб. 942.
- Сидоров Л. А. Эквиаффинная плоскость // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 5 Слу—Я. М.: «Советская Энциклопедия», 1985. 1248 стб., ил. Стб. 942.
- Широков А. П. Аффинная группа // Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М. Виноградов, т. 1 А—Г. М.: «Советская Энциклопедия», 1977. 1152 стб., ил. Стб. 352.
- Яглом И. М., Атанасян Л. С. Геометрические преобразования // Энциклопедия элементарной математики, книга четвёртая — геометрия / Гл. ред. П. С. Александров, А. И. Маркушевич, А. Я. Хинчин. Ред. книги 4: В. Г. Болтянский, И. М. Яглом. М.: Физматгиз, 1963. 568 с., ил. С. 49—158.