四维空间球极投影与霍普夫纤维丛具体算法实现
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四维空间球极投影与霍普夫纤维丛具体算法实现
作者Wxy
本文是一篇根据一部数学科普CG电影《维度:数学漫步》[1]对四维空间与霍普夫纤维丛的讲解基础上,讲解如何在支持3D软件编程下绘制出霍普夫纤维丛的算法,实现绘制《维度:数学漫步》影片上所展示的图形。
球极投影(Stereographic Projection)
首先,我们来看一下三维空间中球极投影的公式:设一个球心在原点的半径=R的球。设投影极点为(0,0,1),投影平面:z=-1
我们不难得出:给一球面上的点(x0,y0,z0),它在投影平面:z=-1上投影坐标为: x = -((2*x0)/(-2+R*R+R*z0));
y = -((2*y0)/(-2+R*R+R*z0));
这是一段伪代码:
function stgpro(x0,y0,z0) {
x = -((2*x0)/(-2+R*R+R*z0));
y = -((2*y0)/(-2+R*R+R*z0));
return [x, y, -1];
}
如果要画一个正多面体的球极投影,得先把它“膨胀”到球心在原点的球面上:
function proSphere(x0,y0,z0) {
l = Math.sqrt(x0*x0+y0*y0+z0*z0);
return [R*x0/l, R*y0/l, R*z0/l];
}
而通过类比的思想,我们可以得出四维空间球极投影公式:
x = -((2*x0)/(-2+R*R+R*t0));
y = -((2*y0)/(-2+R*R+R*t0));
z = -((2*z0)/(-2+R*R+R*t0));
function stgpro4D(x0,y0,z0,t0) {
x = -((2*x0)/(-2+R*R+R*t0));
y = -((2*y0)/(-2+R*R+R*t0));
z = -((2*z0)/(-2+R*R+R*t0));
return [x, y, z, -1];
}
有了球极投影公式,再加上坐标旋转变换,
及多胞体顶点坐标数据[2],我们就可以把
多胞体在四维空间中滚动做出来了。此图是我用3d max的Maxscript实现的正120胞体球极投影模型。
霍普夫纤维丛中的圆(Hopf Circle)
定义一个欧式复二维空间:C2,这个空间中的任意一点都能用两个有序复数对(Z1,Z2)表示,即用四个有序实数对表示的空间——实四维空间。
在《维度:数学漫步》第七八章的详细说明[3]中说,我们用Z2=k*Z1来表示一个四维空间
里的二维平面。(但注意用Z2=k*Z1并不能表示所有过原点的二维平面,比如xOz坐标面就不能写成这样的形式,能写成Z2=k*Z1的过原点平面是很特殊的,所以我们不能用此方法直接研究一般情形的平面,但我们用这些特殊的平面来截S3已足够了,因为它们所截得的圆周两两不相交)
所以只要给定一个k,就给定了一个二维平面,而这个二维平面与S3相交出来的圆周就确定了。现在我们要解决的是给一个k值,我们该如何让程序找到这个交出来的圆,并球极投影到我们的三维空间当中,把这个圆周描出来。
首先,设k=a+bi Z1=x+yi Z2=z+ti
则我们得到:
z=ax-by
t=ay+bx
将这两个式子与S3联立:x2+y2+z2+t2=1
我们即可以得出这个圆周在四维空间中的方程:
做一下整理,可得:
x2+y2=1/(1+a2+b2)
从这个式子中我们可以发现,给定一个复数k=a+bi,我们即定义了一个四维空间当中的过圆心的圆周,而且已知圆周上的一点的一个坐标分量(如x),根据方程我们就可以解出其余的坐标(y,z,t坐标值)而我们正是想让计算机来把圆周上的点描出来。怎样来选取圆周上的点呢?
可以考虑转换成参数方程:引入一个角θ(0≤θ≤2π)
令x = cosθ/sqrt(1+a2+b2),则y = sinθ/sqrt(1+a2+b2),又因为z=ax-by,t=ay+bx,我们就可以把这个圆在四维空间中描出来了。
function drawcircles(k) {
a = k[0];//get the value of Re k
b = k[1];//get the value of Im k
var x, y, z, t;
for(var i=0;i<=Math.PI*2;i+= Math.PI/20){
r = Math.sqrt(1+a*a+b*b);
x = Math.cos(i)/r;
y = Math.sin(i)/r;
z=a*x-b*y;
t=a*y+b*x;
P=stgpro4D(x,y,z,t); //得到此点在三维空间的球极投影
lineTo(P);//描点连线
}
} Array霍普夫圆环(Hopf T orus)
一个霍普夫圆环面是由无数个霍普夫圆两
两嵌套但互不相交组成。而我们把k的值绕
原点取一周得到的一簇圆就会组成一个霍
普夫圆环面。而这个圆的半径r,决定了这
个霍普夫圆环面的大小。一般我们令r=tan
β,因为k所在的这个复平面可以认为是一
个S2球极投影的射影平面,而k取值的这
一簇簇的同心圆则是上的一圈圈纬线。引入的角β则可理解为纬度。(但注意,这样定义的话南极为0°,赤道45°,北极90°),当圆的半径为0时(即南极点,k=0),霍普夫圆环会缩小成一个圆。当圆的半径无限大时(即北极点,k=0),霍普夫圆环会无限膨胀,只留下一根过四维空间S3球面极点的“直线”。最后,我们把整个纤维丛画出来:
function show(k) {
for(var j=0;j<=Math.PI/2;j+= Math.PI/6){ //移动S2上的纬线圈
r = Math.tan(j); //计算k所在圆的半径
for(var k=0;k<=Math.PI*2;k+= Math.PI/20){
//旋转一周,把k点在复平面上取遍描出来
drawcircles([r*Math.cos(k), r*Math.sin(k)]);
//画一个Hopf圆
}
}
}
附:3d max Max script 脚本完整代码(直接粘贴到Maxscript上全部运行):效果:
sphereR=1
gl4_x=0.0
gl4_y=0.0
gl4_z=0.0
--定义坐标旋转角度
fn Ls p1 p2=sqrt((p2[2]-p1[2])*(p2[2]-p1[2])+(p2[1]-p1[1])*(p2[1]-p1[1]))
fn gl4_P p = (--四维坐标旋转函数
_point4d=#()
_point4d = rotates gl4_y #(p[1], p[4]) #(0,0)