几何学-黎曼几何与罗氏几何

第 6 章 非欧几何学

6.1 基本概念与性质

6.1.1 三种第五公理

6.1.2 内角和与面积

6.1.3 弯曲面的几何学

6.1.4 内蕴几何与外在几何

6.1.5 高斯曲率

6.1.6 常曲率曲面

6.1.7 与莫比乌斯变换

6.2 球面几何

6.2.1 球面运动

6.2.2 共形映射

6.2.3 空间旋转与莫比乌斯变换

1 解析函数

若解析函数 z↦z~=f(z) 是一个运动 (即黎曼球面上的旋转), 则

Λ(z~)ds~=Λ(z)ds|f′(z)|=|dz~dz|=ds~ds=Λ(z)Λ[f(z)]

对于 k=1 的曲面上, 保向运动的集合为

|f′(z)|=1+|f(z)|21+|z|2.

2 反射变换

黎曼球面上关于直线 L^ 的反射 RL^(z^) 诱导出 C 上关于此直线的球极射影象的反演 IL(z).

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3 旋转变换
4 运动的一般形式

5 绕单位向量旋转

将上述旋转改写为绕单位向量旋转的形式.

记单位向量为 v=li+mj+nk, 端点为 a^, 球极射影象为 a, 则

a=l+im1−n,|a|2=1+n1−n.

⭐️ 代入 [Raψ] 的表达式即得:

[Rvψ]=[cos⁡ψ2+insin⁡ψ2(−m+il)sin⁡ψ2(m+il)sin⁡ψ2cos⁡ψ2−insin⁡ψ2].

该矩阵也是规范化的.

6 应用与特例
[Rvπ]=[in−m+ilm+il−in]

6.2.4 空间旋转与四元数

1 四元数的概念
2 四元数的起源

首先澄清一点, 以下内容不一定是四元数真正的起源, 只是我根据已学知识推断出的一条比较合理的路.

从历史上来说, 我们知道复数的加法与乘法即复平面中的平移与旋转, 于是希望将其推广到三维空间, 并且存在某种运算可以对应空间旋转.

在 i2=−1 的基础上, 补充定义 j2=−1,i≠j 是很自然的想法, 于是三元数是 R 上的线性空间. 但是 ij 应该等于多少呢? 由乘法的封闭性, 不妨令

ij=x+yi+zj,x,y,z∈R.

首先我们看到, z≠0, 否则两端左乘 i 得 j=−y+xi∈C, 本质上还是复数.

于是由上式可得

j=1z(ij−x−yi),ij=1z(−j−xi+y),

比较系数可得 z2=−1,z∉R, 矛盾, 从而 ij 不能由上述三元数表示.

这个反证法的思路与 2 不是有理数的证明类似. 不过 2 虽然不属于有理数, 但属于实数, 有没有可能寻找到更大的代数系统, 使得乘法的封闭性得以满足呢?

自然的想法是令 k=ij∉C, 同样自然的, 我们令 ij=ji, 即满足交换律, 于是 k2=1. 现在我们知道, 这样的代数系统称为双复数, 不过更常见的定义是令 i2=−1,j2=1,ij=ji=k, 其子环 R[i] 称为圆复数 (即复数 C), 而 R[j] 称为双曲复数. 顾名思义, 双曲复数与双曲线有着密不可分的联系, 不过不是这里讨论的重点.

旋转运动是可逆的, 因此我们希望四元数除零元外都可逆. 双复数不能作为我们理想的 "四元数", 因为双复数有零因子, 从而双复数的乘法未必可逆. 例如 (1+j)(1−j)=0, 假设零因子 1+j 有逆元且为 a−1, 等式两端左乘 a−1, 得 j=1, 从而矛盾.

似乎又陷入了窘境, 而且这样构造出来的双复数在运算上不具有轮换对称性, 并不美观. 不过回过头来, 我们希望的是通过三元或四元的 "超复数" 来研究三维的空间旋转, 空间旋转又具有怎样的性质呢? 我们惊讶地发现, 空间旋转并不满足交换律! 随便拿起一支笔或一颗魔方, 便可以验证这一点.

如果让四元数也不满足交换律呢? 实数是满足交换律的, 因此我们令 ij≠ji, 但具体是怎样的关系呢? 互为相反数是最简单的, 即 ij=−ji, 于是我们可以推得 k2=−1,jk=−kj,ki=−ik, 这些运算恰好也是轮换对称的.

进一步我们还可以得到这种定义的四元数的诸多良好性质, 其中就包括非零元必有逆, 并且可以利用四元数方便地求解空间旋转的复合和效果. 这些就是接下来要推导的了. 即使抛开实际应用, 四元数作为纯数学, 内容也是丰富而有趣的.

我们称呼这种超复数为四元数, 但是定义似乎与之前的 I2=J2=K2=IJK=−1 有所不同, 实际上它们是等价的, 读者可自证.

以上我们探索了三种形式的超复数, 作为复数的 "扩展", 它们的定义分别是:

  1. i2=−1,j2=−1,ij=ji=k. (双复数的等价超复数)

  2. i2=−1,j2=1,ij=ji=k. (双复数)

  3. i2=−1,j2=−1,ij=−ji=k. (四元数)

形式上看, 只剩下一个有待研究:

  1. i2=−1,j2=1,ij=−ji=k. (反四元数)

这种超复数称为分裂四元数或反四元数, 与双复数一样, 它也有非零元无逆, 如 1+j2 即为幂等的零因子, 因此反四元数的性质也没有四元数好.

最后, 我们之后使用的四元数单位的字体与前文不同, 不再是正体. 四元数单位之所以要使用大写的粗斜体, 是为了与复数单位区分. 由复数推广至四元数是自然的, 但是之后在研究四元数时, 常将其同构映射为复矩阵, 此时若不用粗斜体, 则容易混淆; 而小写的粗斜体常用于表示空间向量, 因此表示为 I,J,K 是最为清晰的.

3 基本代数性质
4 两种矩阵同构

注: GLn(F) 表示域 F 上由 n 阶矩阵构成的一般线性群.

5 共轭的性质

共轭 V― 是对于四元数而言的, 而非矩阵共轭.

证明

(1) 式为矩阵共轭定义, (2) 式为向量共轭定义, 由矩阵表示可知二者等价.

VW―=∑viwiI2+∑viwjIJ―=−∑viwi−∑viwjK=−∑viwi+∑viwjJI=WV=W― V―.
VW―=(v+V)(w+W)―=vw+vV+wW+VW―=vw−vV−wW+WV=(w−W)(v−V)=W― V―.
6 长度的性质

长度 |V| 又称为二范数.

证明

|V|2=−VV=∑vi2+∑vivj(IJ+JI)=∑vi2=V⋅V.|V|2=v2−V2=v2+|V|2=v2+v12+v22+v32.|V―|2=v2+|−V|2=|V|2.|VW|2=VWVW―=V WW― V―=VV―|W|2=|V|2|W|2.det⁡(V)=(v−v3i)(v+v3i)−(−v1+v2i)(v1+v2i)=v2+∑vi2.
7 单位四元数

单位四元数 (|V|=1) 不一定是四元数单位.

证明

|Rvψ|=|cos⁡ψ2+Vsin⁡ψ2|=cos2⁡ψ2+|V|2sin2⁡ψ2=1.Rvψ―=cos⁡ψ2+(−V)sin⁡ψ2=cos⁡−ψ2+Vsin⁡−ψ2=Rv−ψ.A2=(a+A)2=a2+2aA+A2=−1⇒a=0.A2=−|A|2=−1⇔A 是纯的单位四元数.

第四点解方程即得 (有两解).

8 旋转公式矩阵证法
9 旋转公式反射证法

若 P 与 A 为纯四元数, 则

证明

由于是纯四元数, PA+AP=−2P⋅A, 因此得到第一点.

当 A2=−1, 第一点的两端同乘 A 即得 P=APA.

P′ 为纯四元数的结论, 可以代入值后展开, 这里采用向量法另证:

P′=A(−P⋅A+P×A)=−(P⋅A)A−A⋅(P×A)+A×(P×A)=−(P⋅A)A−A⋅(P×A)+(A⋅A)P−(A⋅P)A=P−2(P⋅A)A.|P′|=|APA|=|A||P||A|=|P|.

不动点可用正交的等价条件证明, 这里继续使用向量法:

当 P∈ΠA 时, P⋅A=0, 于是 P′=P.

若 P⊥ΠA, 则 P′=P−2|P|A=P−2P=−P.

P↦P~=B(APA)B=(−BA)P(−BA―).
−BA=B⋅A−B×A=cos⁡ψ2+Vsin⁡ψ2.
10 旋转公式向量证法

将 Σ 和 C 中的点用 C2 中的齐次坐标向量表示, 如 p=[p1,p2]T,z=p=p1p2, 则

p↦p~=Rvψp.

取 ⟨p,p⟩≡|p1|2+|p2|2=2, 则 Σ 与 C 中点的换算公式为

{X+iY=2z1+|z|2=2p1p―2|p1|2+|p2|2=p1p―2,Z=|z|2−1|z|2+1=|p1|2−|p2|2|p1|2+|p2|2=|p1|2−1.

记 p 的球极射影象 p^ 对应的单位向量为 P=(X,Y,Z), 则

P=XI+YJ+ZK=[iZ−Y+iXY+iX−iZ]

注意到

1−iP=[1+ZX+iYX−iY1−Z]=[p1p―1p1p―2p2p―1p2p―2]=[p1p2][p―1p―2]=pp∗.

于是有

1−iP~=p~p~∗=(Rvψp)(Rvψp)∗=Rvψpp∗(Rvψ)∗=Rvψ(1−iP)(Rvψ)∗=1−iRvψP(Rvψ)∗.

从而得到 P~=RvψPRv−ψ.

11 旋转公式几何证法
12 四元数的逆与伴随

证明

V−1=|V|2V−1|V|2=V∗VV−1|V|2=V∗|V|2.adj(V)=det⁡(V)V−1=|V|2V−1=V∗.V−1―=V|V|2=V|V―|2=V―−1.
13 四元数的其它运算

证明

PQ+QP=∑piqi(I2+I2)+∑piqj(IJ+JI)=−2∑piqi=−2P⋅Q.
P―Q=(p−P)(q+Q)=pq+pQ−qP−PQ,Q―P=(p+P)(q−Q)=pq−pQ+qP−QP,P―Q+Q―P=2pq−PQ−QP=2pq+2P⋅Q=2P⋅Q.
PQ=(pq−P⋅Q)+(pQ+qP+P×Q),QP=(pq−P⋅Q)+(pQ+qP−P×Q),PQ−QP=2P×Q=2P×Q.
PQ=−P⋅Q+P×Q,QP=−P⋅Q−P×Q,Outer(P,Q)=pQ−qP−PQ+QP=pQ−qP−P×Q.

6.3 双曲几何

6.3.1 曳物线和伪球面

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6.3.2 伪球面上的共形映射

恒取伪球面的半径为 R=1, 于是常曲率为 k=−1.

取坐标系为 (x,σ), 其中 0≤x<2π,于是过点 (x,σ) 的圆周 σ= 常数的半径为 X=e−σ.

如右图映至复平面, (x,σ)↦z=x+iy.

为保证共形, dydσ=1X=eσ⇒y=eσ+C, 一般令 C=0, 于是

{y=eσ=1X,ds^=Xds=dx2+dy2y,dA=dxdyy2.

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6.3.3 贝尔特拉米的双曲平面

双曲平面的映射

6.3.4 双曲直线和反射

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6.3.5 鲍耶-罗巴切夫斯基公式

平行角 Π=arctan⁡2e−D.

D≡H{p,q}=|ln⁡[qm][p~m]|=|ln⁡[cm][q~m]|=|ln⁡tan⁡Π2|=−ln⁡tan⁡Π2.⇒tan⁡Π2=e−D.

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6.3.7 保向运动的三种类型

保向运动可表示为 M≡RL2∘RL1.

每一个保向运动都可由一个非斜驶型的莫比乌斯变换表示, 并可表示为

M(z)=az+bcz+d,a,b,c,d∈R,(ad−bc)>0.

以 a=(x+iy) 为 h 圆心, ρ 为 h 半径的 h 圆周, 就是以 (x+iycosh⁡ρ) 为中心, ysinh⁡ρ 为半径的欧氏圆周.

 

第 7 章 环绕数与拓扑学

7.1 环绕数

7.2 霍普夫映射定理

环路 K 可以连续变形为另一环路 L 而不穿过点 p, 当且仅当 K 与 L 有同样的绕 p 的环绕数. 这个结论对任意维数空间都成立, 其中环绕数的一般概念称为 度 或 映射度.

7.3 多项式与幅角原理