射影几何的诞生与发展

射影几何的诞生与发展

一从透视学到射影几何

1．在文艺复兴时期，描绘现实世界成为绘画的重要目标，这就使画家们在将三维现实世界绘制到二维的画布上时，面临这样的问题：

（1）一个物体的同一投影的两个截影有什么共同的性质？

（2）从两个光源分别对两个物体投影到同一个物影上，那么两个物体间具有什么关系？

2．由于绘画、制图的刺激而导致了富有文艺复兴特色的学科---透视学的兴起(文艺复兴时期：普遍认为发端于14世纪的意大利，以后扩展到西欧，16世纪大道鼎盛)，从而诞生了射影几何学。意大利人布努雷契（1377-1446）是第一个认真研究透视法并试图运用几何方法进行绘画的艺术家。

3．数学透视法的天才阿尔贝蒂（1401-1472）的《论绘画》一书（1511）则是早期数学透视法的代表作，成为射影几何学发展的起点。

4．对于透视法产生的问题给予数学上解答的第一人是德沙格（1591-1661）法国陆军军官，后来成为工程师和建筑师，都是靠自学的。1639年发表《试论锥面截一平面所得结果的初稿》，这部著作充满了创造性的思想，引入了无穷远点、无穷远直线、德沙格定理、交比不变性定理、对合调和点组关系的不变性、极点极带理论等。

5．数学家帕斯卡（1623-1662）16岁就开始研究投射与取景法，1640年完成著作《圆锥曲线论》，不久失传，1779年被重新发现，他最突出的成就是所谓的帕斯卡定理，即圆锥曲线的内接六边形的对边交点共线

6．画家拉伊尔（1640-1718）在《圆锥曲线》（1685）这本射影几何专著中最突出的地方在于极点理论方面的创新。

7．德沙格等人把这种投影分析法和所获得的结果视为欧几里得几何的一部分，从而在17世纪人们对二者不加区别，但这一方法诱发了一些新的思想和观点：

1）一个数学对象从一个形状连续变化到另一形状

2）变换与变换不变性

3）几何新方法------仅关心几何图形的相交与结构关系，不涉及度量

二射影几何的繁荣

1．在19世纪以前，射影几何一直是在欧氏几何的框架下被研究的，并且由于18世纪解析几何、微积分的发展洪流而被人遗忘，到

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18世纪末19世纪初，蒙日的《画法几何学》及其学生们的工作，重

新激发了人们对综合射影几何的兴趣，然而将射影几何变革为具有自

己独立的目标与方法的学科的数学家是曾受教于蒙日的庞斯列

（1788-1867）

2．庞斯列曾任拿破仑的远征军的工兵中尉，1812年莫斯科战役

被俘，度过了两年铁窗生活，在这两年里，庞斯列不借助于任何书本，以炭为笔，在监狱的墙壁上谱写了射影几何的新篇章。获释后他整理

出版了《论图形的射影性质》，这部著作立即掀起了19世纪射影几何

发展的巨大波澜，带来了这门学科历史的黄金时期

3．庞斯列利用连续性原理引入虚元素，强调对偶原理，深入研

究了极点与极线的概念，给出了极点到极线和从极线到极点的变换的

一般表述

4．在庞斯列用综合的方法为射影几何奠基的同时，德国数学家

莫比乌斯在《重心计算》（1827）一书中第一次引进了齐次坐标，后

被普吕克发展为更一般的形式。这种代数方法遭到了以庞斯列为首的

综合派学者的反对，因此19世纪的射影几何就是在综合派的与代数

的两大派之间的激烈争论中前进的，支持庞斯列的还有斯坦纳 沙勒 和施陶特

5．1850年前后，数学家们对于射影几何与欧氏几何在一般概念

与方法上已经作出区别，但对这两种几何的逻辑关系不甚了了。即使

综合派的著作中也仍然用长度的概念，实际上长度不是射影概念。施

陶特在1847年的《位置几何学》中提出一套方案，给交比以重新定义：4

2324131/x x x x x x x x ----，这样施陶特不借助长度概念就得到了建立射影几何的基本工具，从而使射影几何摆脱了度量关系，成为与长度等度

量概念无关的全新的学科，施陶特还指出：射影几何的概念在逻辑上

要先于欧氏几何的概念，因而射影几何比欧氏几何更基本。

6．施陶特的工作鼓舞了英国数学家凯莱（1821-1895）和普吕克

的学生克莱因进一步在射影几何概念基础上建立欧氏几何与非欧氏

几何的特例，从而为以射影几何为基础来统一各种几何学铺平了道

路。

三 几何学的统一

1．统一几何学的第一大胆计划是由德国数学家克莱因

（1849-1925）提出的，1872年，克莱因在爱尔朗根大学任数学教授

就职演讲《爱尔朗根纲领》中阐述了几何学统一的思想。（射影几何，仿射几何，欧氏几何）当然，并非所有的几何都能纳入克莱因的方案，如代数几何，微分几何。

2．克莱因1886年受聘于哥廷根大学担任教授，因为这位创造性天才

和组织能力完美结合的他的到来，使得哥廷根大学更富科学魅力.希

尔伯特就是被克莱因引向哥廷根的最重要的年轻数学家1862-1943，他提出了另一条统一几何学的途径---公理化方法。

3.公理化方法始于欧几里得，然而当19世纪数学家们重新审视《原本》中的公理体系时，却发现它有许多隐蔽的假设，模糊的定义及逻辑的缺陷，这就迫使他们着手重新建立欧氏几何以及其他包含同样弱点的几何的基础。其中希尔伯特在《几何基础》（1899）中使用的公理化方法最为成功。

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第一章 仿射坐标与仿射变换

本章将主要介绍仿射变换的概念，并在仿射坐标系下研究图形的仿射

不变量和仿射不变性。

§1 透视仿射对应

定义1.1 共线三点的A ，B ，C 的单比表示为（ABC ），且

（ABC ）=BC

AC AC ，BC 是有向线段的数量，其中，点A ﹑B 称为基点，C 称为分点。

显然，当C 在A ，B 之间时，（ABC ）＜0；否则，（ABC ）＞0。

当C 为线段AB 中点时，（ABC ）=－1。

当A 与C 重合时，（ABC ）=0；B 与C 重合时，（ABC ）不存在。

定义1.2 在一平面上设有直线l 和l ′,m 为此平面上与l 和l ′均

不平行的方向直线,通过直线l 上任意一点A,作与m 平行的直线,交

l ′于A ′,这样得到的直线l 上点到l ′上点的一一对应,称为透视仿

射对应.

若直线l 与l ′相交，则交点是自对应点或二重点（不变点）。

显然，两直线间的透视仿射对应，与方向直线有关，不同的方向决定

不同的对应关系。

仿上述定义，可定义两平面π和π′间的透视仿射对应。 若平面π和π′相交于直线l ，则直线l 上的每个点都是透视仿射对

应下的自对应点，直线l 叫做透视轴，简称轴。当平面π和π′平行

时，则不存在透视轴。

透视仿射对的性质：

（1）透视仿射对应保持结合性

透视仿射对应使点对应点，直线对应直线，这种性质称为同素性。

（2）透视仿射对应保持结合性

点A 在直线a 上，经过透视仿射对应后，对应点A ′在对应直

线a

′上，也就是说，点和直线的结合关系在透视仿射对应下保持不