Одним из замечательных положений П. г. является принцип двойственности. Говорят, что точка и прямая инцидентны, если точка лежит на прямой (или прямая проходит через точку). Тогда оказывается, что если верно некоторое предложение А о точках и прямых проективной плоскости, сформулированное только в терминах инцидентности между ними, то будет верно и предложение В , двойственное предложению А , т. е. предложение, которое получается из А заменой слова «точка» на слово «прямая», а слова «прямая» на слово «точка». См. Двойственности принцип .
Важную роль в П. г. играет теорема Дезарга: если соответствующие стороны двух треугольников ABC и A'B'C' (рис. 4 ), лежащих в одной плоскости, пересекаются в точках Р, Q, R, лежащих на одной прямой, то прямые, соединяющие соответствующие вершины, пересекаются в одной точке О , и обратно: если прямые, соединяющие соответствующие вершины треугольников ABC и A'B'C' , лежащих в одной плоскости, сходятся в одной точке, то соответствующие стороны этих треугольников пересекаются в точках, лежащих на одной прямой. Обратная теорема Дезарга двойственна прямой теореме по принципу двойственности. Интересно, что эту теорему нельзя доказать лишь на основе аксиом инцидентности проективной плоскости, однако она справедлива на любой проективной плоскости, которая лежит в проективном пространстве,— такова, например, действительная проективная плоскость. Первый пример недезарговой проективной плоскости дал Д. Гильберт.
Выполнение теоремы Дезарга необходимо и достаточно для введения координат на проективной плоскости синтетическим путём. Это делается с помощью так называемого исчисления вурфов; оно состоит в том, что на проективной прямой вводятся операции сложения и умножения точек, превращающие её в тело k. Построение осуществляется с помощью полных четырёхвершинников — плоских фигур, составленных четырьмя точками, из которых никакие три не лежат на одной прямой (рис. 5 ), и шестью прямыми, соединяющими попарно эти точки; такая конфигурация позволяет определить чисто проективно понятие гармонической четвёрки точек. Двойственным образом с использованием полных четырехсторонников устанавливаются операции сложения и умножения в пучке прямых.
Свойства проективной прямой, как алгебраической системы, определяются, с одной стороны, геометрическими свойствами проективной плоскости, в которой она расположена. Так, например, коммутативность тела равносильна выполнению т. н. аксиомы Паппа: если / и /' — две различные прямые, А , В , С и A' , B' , С' — тройки различных точек прямых / и l' соответственно, то точки пересечения прямых AB' и A'B, AC' и A'C, BC' и B'C лежат на одной прямой; тело k имеет отличную от двух характеристику тогда и только тогда, когда диагональные точки Р, О, R полного четырёхвершинника ABCD не лежат на одной прямой [Р , О , R определяются как точки пересечения прямых AB и CD, AC и BD, AD и BC соответственно (рис. 5 )]. С др. стороны, в зависимости от выбора исходного тела k определяются различные проективные плоскости Пk как совокупности классов пропорциональных троек элементов тела k [за исключением тройки (0, 0, 0)]. Такой аналитический подход наряду с синтетическим с успехом применяется для изучения проективных свойств кривых и поверхностей. Аналогичные построения можно провести и для проективного пространства.
Линией второго порядка на проективной плоскости называют объект, определяемый с точностью до множителя пропорциональности классом однородных уравнений второй степени:
a11 (x1 )2 + a22 (x2 )2 + a33 (x3 )2 + 2a12 x1 x2 + 2a 23 x2 x3 + 2a31 x3 x1 = 0.
Всякая нераспадающаяся линия второго порядка на действительной проективной плоскости (овальная линия) есть либо эллипс, либо гипербола, дополненная несобственными точками её асимптот, либо парабола, дополненная несобственной точкой её диаметров. Распадающаяся линия второго порядка состоит из двух прямых (различных или совпадающих) или одной точки. Наконец, возможна нераспадающаяся линия второго порядка, не содержащая действительных точек. Этим исчерпывается проективная классификация всех линий второго порядка. Фигурой, двойственной линии второго порядка, является пучок прямых второго класса — объект, определяемый классом пропорциональных однородных уравнений второй степени в координатах (u 1 , u 2 , u 3 ). Огибающая невырожденного пучка прямых есть линия второго порядка.
Если на проективной плоскости заданы пять точек, из которых никакие четыре не лежат на одной прямой, то существует и притом только одна линия второго порядка, проходящая через эти точки. Точки пересечения противоположных сторон шестиугольника, вписанного в линию второго порядка, лежат на одной прямой (теорема Паскаля) (рис. 6 ). В случае распадающейся линии второго порядка эта теорема сводится к утверждению, формулируемому аксиомой Паппа. Двойственной теореме Паскаля является теорема Брианшона: диагонали, соединяющие противоположные стороны шестисторонника, описанного около овальной линии второго порядка, проходят через одну точку (рис. 7 ). См. также Полюсы и поляры .
Основы П. г. были заложены в 17 в. Ж. Дезаргом (в связи с развитием им учения о перспективе) и Б. Паскалем (в связи с изучением им некоторых свойств конических сечений) Большое значение для последующего развития П. г. имели работы Г. Монжа (2-я половина 18 — начало 19 вв.). Как самостоятельная дисциплина П. г. была изложена Ж. Понселе (начало 19 в.). Заслуга Понселе заключалась в выделении проективных свойств фигур в отдельный класс и установлении соответствий между метрическими и проективными свойствами этих фигур. К этому же периоду относятся работы французского математика Ж. Брианшона. Дальнейшее развитие П. г. получила в трудах швейцарского математика Я. Штейнера и французского математика М. Шаля. Большую роль в развитии П. г. сыграли работы немецкого математика К. Штаудта. Его работами были намечены также контуры аксиоматического построения П. г. Все эти геометры стремились доказывать теоремы П. г. синтетическим методом, положив в основу изложения проективные свойства фигур. Аналитическое направление в П. г. было намечено работами А. Мебиуса . Влияние на развитие П. г. оказали работы Н. И. Лобачевского по созданию неевклидовой геометрии, позволившие в дальнейшем А. Кэли и Ф. Клейну рассмотреть различные геометрические системы с точки зрения П. г. Развитие аналитических методов обычной П. г. и построение на этой базе комплексной П. г. (немецкий математик Э. Штуди, Э. Картан ) поставили задачу о зависимости тех или иных проективных свойств от того тела, над которым построена геометрия. В решении этого вопроса больших успехов добились А. Н. Колмогоров и Л. С. Понтрягин .
Некоторые положения и факты П. г. применяются в номографии, в теории статистических решений, в квантовой теории поля и в конструировании печатных схем (через теорию графов).
Лит.: Вольберг О. А., Основные идеи проективной геометрии, 3 изд., М. — Л., 1949; Глаголев Н. А., Проективная геометрия, 2 изд., М.,1963; Ефимов Н. В., Высшая геометрия, 5 изд., М., 1971; Хартсхорн Р., Основы проективной геометрии, пер. с англ., М., 1970; Veblen О., Young J. W., Projective geometry, v. 1—2, Boston — N. Y., 1910—18.
По материалам одноимённой статьи из 2-го издания БСЭ.
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
Рис. 5.
Рис. 7.
Рис. 6.
Рис. 4.
Проективная метрика
Проекти'вная ме'трика , способ измерения длин и углов средствами проективной геометрии . Он состоит в закреплении некоторой фигуры в качестве абсолюта, определяющего данную метрическую геометрию, и выделении из группы всех проективных преобразований таких, которые отображают абсолют в себя и порождают т. о. соответствующую группу движений. Например, метрика плоскости Лобачевского получается, если за абсолют принять нераспадающуюся действительную линию второго порядка,— тогда длина отрезка AB равна l ln (ABPQ ), где Р и Q — точки пересечения прямой AB с абсолютом, (ABPQ ) — двойное отношение, l — константа, одинаковая для всех отрезков. Если для измерения длин и углов используется линия второго порядка без действительных точек. то получается (эллиптическая) геометрия Римана. Для построения евклидовой и псевдоевклидовой геометрий выбирают вырожденные линии второго порядка.
