二次曲线的其他性质&不动点与直线
现在先介绍点、线和二次曲线之间的一种被称为配极的重要几何关系。
1.极点 一 极线关系
点xxx和二次曲线CCC定义一条直线l=Cxl= Cxl=Cx,lll称为xxx关于CCC的极线,而点xxx称为lll关于CCC的极点。
- 点xxx关于二次曲线CCC的极线l=Cxl =Cxl=Cx与CCC交于两点。CCC的过这两点的两条切线相交于xxx。其关系如下图:
图1极点—极线关系图图1极点—极线关系图图1极点—极线关系图
- 如果点xxx在CCC上 , 则它的极线就是二次曲线过xxx点的切线。
定义 1 对射是IP2IP^2IP2点到IP2IP^2IP2线的可逆映射并用一个 3X3 非奇异矩阵 AAA表示为l=Axl = Axl=Ax。
- 共轭点 如果点yyy在极线l=Cxl = Cxl=Cx上,则yTl=yTCx=0y^Tl=y^TCx=0yTl=yTCx=0。满足yTCx=0y^TCx=0yTCx=0的任何两点xxx,yyy称关于二次曲线CCC共轭。
- 如果xxx在yyy的极线上 , 那么yyy也在xxx的极线上。
2.二次曲线的分类
二次曲线的射影标准形式
任何二次曲线都射影等价于一个由对角矩阵表示的二次曲线。二次曲线DDD最终被变为具有矩阵diag(ε1,ε2,ε3)diag(\varepsilon _{1},\varepsilon _{2},\varepsilon _{3})diag(ε1,ε2,ε3)的二次曲线,其中εi=±1\varepsilon _{i}=\pm 1εi=±1或000。
对角线 | 方程 | 二次曲线类型 |
---|---|---|
(1,1,1)(1,1,1)(1,1,1) | x2+y2+w2=0x^2+y^2+w^2=0x2+y2+w2=0 | 假二次曲线——无实点 |
(1,1,−1)(1,1,-1)(1,1,−1) | x2+y2−w2=0x^2+y^2-w^2=0x2+y2−w2=0 | 圆 |
(1,1,0)(1,1,0)(1,1,0) | x2+y2=0x^2+y^2=0x2+y2=0 | 单个实点(0,0,1)T(0,0,1)^T(0,0,1)T |
(1,−1,0)(1,-1,0)(1,−1,0) | x2−y2=0x^2-y^2=0x2−y2=0 | 两条直线x=±yx=\pm yx=±y |
(1,0,0)(1,0,0)(1,0,0) | x2=0x^2=0x2=0 | 单条直线x=0x=0x=0计两次 |
二次曲线的仿射分类
在欧氏几何中, (非退化或真)二次曲线可以分为双曲线、椭圆和抛物线。在射影几何中三种类型的二次曲线与l∞l_{\infty }l∞的关系如下图所示:
图2点二次曲线的仿射分类图2点二次曲线的仿射分类图2点二次曲线的仿射分类
图2中,二次曲线是(a)(a)(a)椭圆,(b)(b)(b)抛物线,(c)(c)(c)双曲线。它们与l∞l_{\infty }l∞的关系 :(a)(a)(a)无实交点、(b)(b)(b)相切(2 点接触)、(c)(c)(c)有 2 个实交点。
3.不动点与直线
变换的一个特征矢量对应一个不动点 ,因为对于特征值 λ\lambdaλ 及其对应的特征矢量eee有:
He=λeHe=\lambda eHe=λe
而eee 和 λeλeλe表示同一点。类似的推导可以用于不动直线,它对应于HTH^THT的特征矢量。
欧氏矩阵
两个不动理想点是虚圆点III,JJJ组成的复共轭对,相对应的特征值是:{eiθ,e−iθ}\begin{Bmatrix}
e^{i\theta } ,&
e^{-i\theta }\end{Bmatrix}{eiθ,e−iθ},这里θ\thetaθ是旋转角。对应予特征值lll 的第三个特征矢量,称为极点。欧氏变换等价与绕该点转θ\thetaθ角的纯旋转并且没有平移。
一种特殊的情况是纯平移(即θ=0θ=0θ=0) 。 这时特征值三重退化,穷远线点点不动,且有一束过点(tx,ty,0)T(t_x , t_ y , 0)^T(tx,ty,0)T的不动直线,该点对应于平移方向。
相似矩阵
两个不动理想点仍是虚圆点,特征值是:{1seiθse−iθ}\begin{Bmatrix} 1&se^{i\theta } & se^{-i\theta }\end{Bmatrix}{1seiθse−iθ}。相似变换的作用可以理解为绕它的有限不动点的旋转和取 sss 为因子的均匀缩放。注意虚圆点的特征值仍然表征旋转角。
仿射矩阵
两个不动理想点可以是实或复共轭的,但在任何一种情况下,过这些点的不动直线l∞=(0,0,1)Tl_{\infty }=(0,0,1)^Tl∞=(0,0,1)T是实的。