空间解析几何第5章正交变换与仿射变换ppt课件.ppt

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1、空间解析几何第5章正交变换与仿射变换,1 变换2 平面的正交变换3 平面的仿射变换 4二次曲线的度量分类与仿射分类 5 空间的正交变换与仿射变换,1 映射与变换 定义1.1 设S与S是两个集合,对S中任一元素a,按某一法则在S中有唯一的元素a与之对应,我们称此法则(即对应关系)为S到S的一个映射。记作 :SS, a a. 或者记作:a=(a),aS。a称为a在映射下的象,a称为a在下的一个原象。 集合S到S的两个映射和称为相等,如果对于任意aS,都有(a)=(a)。 集合S到自身的一个映射叫做S的一个变换。,例1 设S是全体自然数集,S=n|nS,则 (n)=2n,nS，是S到S中的一个映射。

2、 (n)=4n,nS，也是S到S中的一个映射。例2 设S是无数个点的集合,A是S的子集,S=0，1。则定义为 的法则是S到S上的一个映射。例3 设 = ,法则 定义为 , ,则 是 到自身的一个变换,此映射称为恒等变换。,例4 平面上的平移 设S是平面上所有点的集合,取定一个直角坐标系,给定一个向量 =( )。令点P(x,y)与P(x,y)的对应关系为 则有 (1.1) 这是S到自身的一个变换,称为由 决定的平移。公式(1.1)称为平面上的点的平移公式。 注：在形式上平移公式与点的 坐标变换中的移轴公式类似, 但是含意却完全不同:点的平 移公式中,(x,y)和(x,y)是不同 的两个点在同一坐

3、标系中的坐标;而移轴公式中,(x,y)和(x,y)是同一个点在两个不同的坐标系中的坐标。,例5 平面上的旋转 S是平面上所有点的集合,在平面上取定一个直角坐标系O; ,令点P(x,y)和P(x,y)的对应关系为 (1.2) 其中，是一确定的实数, 则是S上的一个变换,称 为平面绕原点的旋转,转角为。 (1.2)称为平面上转角为的旋转公式。,例6 平面上的反射。设l 是平面上一条定直线,平面上任一点P关于l 的对称点为 P。这种从P点到P点的映射,称为平面上以 l 为轴的反射。若取 l 为x轴建立平面直角坐标系,设P(x,y),P(x,y),则此反射表示为 (1.3) 设:SS,我们用(S)表示

4、S中的点在下的象的全体,显然有 。 当(S)=S时,则称是满射或到上的。如果在映射下,S中不同元素的象也不同,则称是单射(或11的)。既是单射又是满射的映射称为双射(或11对应）。,定义1.2 设映射 :SS, :SS,则定义乘积映射为 对于S到S的双射,我们可以定义它的逆映射 ： 若(a)=aS,aS,则定义 ,显然, 易证,11对应的逆映射也是11对应,11对应的乘积 也是11对应,映射的乘法满足结合律。 定义1.3 设:SS是一变换,若对aS,满足(a)=a,则称a是的不动点,aS|(a)=a称为的不动点集。,平面上的平移与旋转的乘积称为平面上的运动(即刚体运动),它是平面到自身上的11

5、变换。 例7 设是平面上由 =(a,b)决定的平移,是平面上的转角为的绕原点的旋转,:P(x,y) P(x,y) P(x,y),则的公式为：， 则的公式为：由 此可见。,平面上点变成点的变换也叫点变换。一个线性点变换 当它的变换矩阵 的行列式|A|0时,称为满秩线性点变换或非退化线性点变换。往后将看到,正交变换和仿射变换在代数上均表现为非退化的线性变换。 定义1.4 设G=:SS|是S上的变换,如果G满足：(1) 恒等变换IG;(2) 若 则(3) 若G,则它的逆变换 。则称G为S的一个变换群。,2 平面的正交变换 1.平面的正交变换 在1中我们介绍了平面上的三种点变换:平移、旋转和反射。它们

6、有一个共同的特点:保持点之间的距离不变。 定义2.1 平面上的一个点变换,如果保持点之间的距离不变,则称它是正交(点)变换(或等距变换)。 平面上的运动与反射都是正交变换。 从定义立即得到性质1和性质2。 性质1 恒等变换是正交变换。 性质2 正交变换的乘积是正交变换。,性质3 正交变换是双射。证明 设是正交变换,把不同的两点P,Q分别变为P和Q。由于P,Q不相同,所以 ,根据保持距离不变,应有 , 因此，P,Q也是不同的两点,即为单射。 下证是满射。即对平面上任何一点P,都存在P，使(P)=P。为此,在平面上任取不共线的三点 (i=1,2,3),设( )= (i=1,2,3)。由是单射并保持

7、距离不变,易知 构成一个三角形,且 假定P到 的距离为 ,那么必存在一点P,它到 的距离也是 。设(P)=P,则P到 的距离也是 ,因此P与P重合,即(P)=P。 由性质3知道,正交变换的逆变换存在,且逆变换也是正交变换。因此,由以上三个性质知道平面上全体正交点变换构成平面上的一个变换群,称为正交变换群。,性质4 正交变换把直线变到直线,并保持共线三点P,Q,R的 简单比 不变。其中PR，RQ表示有向线段 的有向长度(或代数长),即若在直线PQ上取一单位向量e ,则 证明 设P,Q是直线上不同的两点,那么它们的象P,Q也不相同,于是决定一条直线l。对于直线l上任一点R,若 P,Q,R按此顺序共

8、线,则 |PQ|+|QR|=|PR|. 由正交变换的定义,R的象R与P,Q有关系 |PQ|+|QR|=|PR|. 因此R与P，Q共线,即R在l上. 由以上两式看出,正交变换保持直线上点的顺序不变,将有向线段变成有向线段。即若 同向或反向时,则 也同向或反向。由此得,性质5 正交变换将平行直线变为平行直线，并保持相交直线的交角不变。 请读者自证. 在平面上，对任一向量 ,以点O为原点，作 。 设正交变换把O，A分别变到O, 令 ，则向量 只依赖于 而与O点的选取无关，原因是保持平行性和保持距离不变。这一事实说明，诱导出平面上向量的一个变换，使 变到 ,这个变换仍记为，称为正交向量变换。设 与 是

9、任意两个向量, 。显然 即保持向量的内积不变。根据保持共线三点的简单比,我们可从 推出 .又若 ,并且 ,由于把一个三角形变成一个与之全等的三角形,又可得到 。简短地说,正交变换保持向量的线性关系 不变。于是有,性质6 正交变换保持向量的内积不变,保持向量的线性关系不变。 2.正交变换的坐标表示和基本定理 取平面直角坐标系 ,设正交变换将点P(x,y)变换到P(x,y),则 下面来求x,y与x,y之间的关系。 根据性质6可知把直角坐标系 变到直角坐标系 ,并且 ,即P在直角坐标系 下的坐标与P在直角坐标系 下的坐标一致。,设因为 是直角坐标系 , 所以过渡矩阵 是正交矩阵。于是得出正交变换的坐

10、标表示 (2.2) 其中,A=( )是正交矩阵。,用矩阵形式表示，则（22）可写成 设 由性质6得我们容易得到 之间的关系 （24）考虑正交矩阵A的条件：,我们可设将他们代入条件中的第三式得因此,即,即(23)可写成 (2.5)或 (2.6)(2.5)表示平面上的运动,(2.6)表示平面上的反射的乘积.由此得到,定理2.1(正交变换第一基本定理)正交变换或者是运动,或 者是一个反射与一运动的乘积。有时前者称为第一类正交 变换,后者称为第二类正交变换。 定理2.2(正交变换第二基本定理) 正交变换把直角坐标 系变到新的直角坐标系,并使每一点P在原系下的坐标与它的象P关于新系下的坐标相同。反之,具

11、有这种性质的变换是正交变换。,3 平面的仿射变换 比正交变换较为广泛的一种点变换就是本节将要讨论的仿射变换。在这里为了简单起见,不同于前节用几何特征来定义正交变换,我们直接用变换公式给出仿射变换的定义，并用这公式研究仿射变换的一些性质。 1. 仿射变换的定义和例子 定义3.1 平面的一个点变换，如果它在一个仿射坐标系中的公式为 (3.1)其中系数矩阵A= 是可逆的,即|A|0，则称是平面的仿射(点)变换。 此定义与仿射坐标系的选取无关。,例3.12中用公式(2.5),(2.6)确定的正交变换是仿射变换。 例3.2 伸长或压缩(简称伸缩) 是仿射变换。x轴上的每一点是它的不动点,平行于y轴的直线

12、都是它的不动直线(不动直线上的点不一定是不动点);它是平行于y轴方向的伸长(k1)或压缩(k1)。在直角坐标系下,它把圆 变到椭圆 例3.3 由公式 所确定的变换是仿射变换,它表示分别沿x轴、y轴方向的两个伸缩变换的乘积。,2. 仿射变换的性质 由于仿射变换的系数矩阵是可逆的,因此由可逆矩阵的性质易知: 仿射变换的乘积是仿射变换; 恒等变换是仿射变换; 仿射变换是可逆的,且它的逆变换也是仿射变换。 仿射变换还有以下性质:,性质1 仿射变换把直线变成直线。 证明 在仿射坐标系中直线用一次方程表示,而仿射变换是用坐标的一次式给出的,所以它把直线的一次方程变为一次方程,即为直线。 类似于正交点变换诱

13、导平面的一个向量变换,仿射点变换也诱导平面的一个向量变换,仍记为。如果点变换的公式为(3.1),则向量变换的公式为 (3.2)其中，(u,v)是平面上任一向量 的坐标,(u,v)是( )的坐标,系数矩阵A=( )是可逆的,这样的向量变换称为仿射向量变换。 今后我们谈到仿射(点)变换在向量上的作用时,指的就是诱导的向量变换在该向量上的作用。,与正交变换类似,我们有 性质2 仿射变换保持向量的线性关系不变。 证明 将向量 的坐标写成列矩阵的形式,即于是(3.2)可写成现设有线性关系 ,则根据性质1和性质2,仿射变换把两条平行的直线变为两条平行的直线,而且仿射变换保持共线三点的简单比不变。 设P,Q

14、,R三点共线, ，仿射变换将P,R,Q变成P,Q,R,则P,Q,R共线且 ,于是,性质3 仿射变换将二次曲线变为二次曲线。 因为二次曲线的方程是关于坐标x,y的二次方程,而仿射变换是用坐标的一次式给出的,因此仿射变换将关于x,y的二次方程变为关于x,y的二次方程,即仍为二次曲线。 由性质2还可得到 定理3.1 仿射变换把任意一个仿射标架变成一个仿射标架,并且任一点P的坐标等于(P)的坐标。,定理3.2 平面上任给两组不共线的三点: 则存在唯一的仿射变换把 ,i=1,2,3。 证明 和它的对应点 (i=1,2,3)的坐标分别代入(3.1),得到关于 b的方程组: 由于 不共线,所以行列式,因此,

15、以上两个方程组有唯一解利用以上两个方程组容易验证:两边取行列式并注意到不共线条件,得到因而由以上得出的公式是将 (i=1,2,3)的唯一的仿射变换。,定理3.3 在一个仿射变换下,平面图形的面积按同一比值改变。 证明 因为平面图形的面积可作为若干个三角形面积之和的极限,所以我们只须对三角形来证明这一结论就行了。 设是一仿射变换,在仿射标架=O; 下的公式为 .又设将三角形ABC变到三角形ABC,则 其中，正负号与行列式 的符号相同。所以 。即经过仿射变换后,一个三角形在变换后的面积与变换前的面积之比是常数,常数为|A|的绝对值,称为仿射变换的变积系数。,仿射变换的公式中的系数矩阵的行列式与仿射

16、标架的选取无关。设在中的公式的系数 矩阵为A,那么在仿射标架中的公式的系数矩阵为其中H是从到的过渡矩阵,于是 思考题：正交变换的变积系数是多少?变积系数为1的仿射变换是否一定为正交变换?请举例说明。 定义3.2 设仿射变换的系数矩阵为A,若|A|0,则称是第一类的;若|A|0,则称是第二类的。,定理3.4 平面上的任何一个仿射变换可分解为一个正交变换与一个沿两个互相垂直方向伸缩的乘积。 证明 任取一直角坐标系,由(3.1)给出的仿射变换把单位圆 变为一个椭圆(图5.3),设它的中心为O,而 是两条互相垂直的对称轴(或主轴),记向量 将它们单位化,我们有仿射坐标系 与直角坐标系 。又设在下, 的

17、原象为 ,即 ,由于椭圆的两条对称轴是互相共轭的,即每一条对称轴的平行弦中点轨迹沿着另一条的方向,而仿射变换保持共轭性不变(参见下一节),因此 与 也是单位圆上两个互相垂直的半径向量,故 为一直角坐标系。利用推论3.1，有,正交变换: 伸缩变换: 因此: 故=,即分解为正交变换与伸缩的乘积。,4 二次曲线的度量分类与仿射分类,在1872年,德国数学家F.Klein提出了按变换群给各种几何学科进行分类的思想,对几何学的研究有很大的影响。对这一思想,我们将作一简单的介绍。以平面上二次曲线为研究对象,说明它在度量几何学(欧几里得几何学)与仿射几何学中各是怎样分类的。,1.变换群与几何学科分类 由2和

18、3中我们知道,平面上所有正交变换的集合构成平面上的一个变换群,称之为平面上的正交群;平面上所有仿射变换的集合也构成平面上的一个变换群,称之为仿射群. 如果变换群G中的一个子集H也构成一个变换群,则称H为G的子变换群。由于正交变换也是仿射变换,所以正交群是仿射群的子变换群。 另外,平面上绕原点的旋转变换的全体也构成群,称为平面上的旋转群,平面上的刚体运动的全体也构成群,称为平面上的运动群。以上变换群的关系为 旋转群 运动群 正交群 仿射群。,定义4.1 几何图形在正交变换下的不变性质(或几何量)称为图形的度量性质(或正交不变量),研究这些性质的几何学称为度量几何学(即欧几里得几何学);几何图形在

19、仿射变换下的不变性质(或几何量)称为图形的仿射性质(或仿射不变量),研究仿射性质的几何学称为仿射几何学。 由于正交群是仿射群的子变换群,所以仿射性质(仿射不变量)也是度量性质(正交不变量)。但是反之,度量性质不一定是仿射性质。仿射性质有共线、平行、相交、中心对称等。度量性质有垂直、轴对称等。仿射不变量有共线三点的简单比,代数曲线的次数等。正交不变量有两点间的距离、两向量的夹角、图形的面积以及二次曲线的 等。,一般而言,仿射变换可以改变两点之间的距离、两直线间的夹角,因此，关于距离、角度等的性质和不变量就不是仿射性质和仿射不变量。 二次曲线直径的共轭性是仿射性质,理由如下: 首先在仿射变换下,二

20、次曲线C的弦变成二次曲线C的弦,C的平行弦变成C的平行弦;C的弦的中点变成C 的弦的中点,所以如果l是C的直径,则( )= 是 C的直径。,设 是C的一对共轭直径(此时假设C是中心曲线), 的方向为 。由于 的方向共轭于 的方向,所以有 设 则有 其中,B是仿射变换的系数矩阵。,于是 其中， 是(C)=C的二次项(x,y)的矩阵,即 故 是C的一对共轭直径。,2.二次曲线的度量分类 经过平面上的一个正交变换或仿射变换,平面上的一个图形变成另一图形,它们之间有什么样的关系呢?为此给出如下定义。 定义4.2 如果有一个平面的正交变换把 变到 ,那么平面上的图形 称为正交等价的(或度量等价的),记为

21、 。 如果有一个平面的仿射变换将 变到 ，那么平面上的图形 和 称为仿射等价的,也记为 。,在此,图形看作由点组成的集合,所谓一变换把图形 变到 ,就是指这个变换引起集合 到 的一个双射。 由于正交变换包含了刚体运动和反射,因此所谓两个图形是正交等价的就是两个图形可以重合的意思。 不论是正交等价还是仿射等价都是图形间的一种“关系”。由于正交变换的全体构成一个变换群,所以作为一个“关系”来讲具有如下三个性质: i 反身性,即 ; ii对称性,若 ,则 ; iii传递性,若 , ,则 。,仿射等价这种“关系”也具有以上三个性质。具有以上三个性质的“关系”称为等价关系。于是正交等价和仿射等价的关系都

22、是等价关系。 从每一图形C出发,考虑所有与C正交等价的图形,就得到图形的一个集合，称为C的正交等价类，记为C。由于C中任意两个图形都与C正交等价,根据对性和传递性,所以它们也正交等价。这样,由正交等价的关系我们就把平面上的图形分成了一些正交等价类，每一类中任意两个图形都正交等价，而不同类中的图形都不正交等价。同样,根据仿射等价的关系,把平面上的图形分成一些仿射等价类。由正交群仿射群，从而每个正交等价类都包含在某一个仿射等价类中作为它的一部分。,前一章中,我们用直角坐标变换,将二次曲线的方程化简为九类。由于直角坐标变换和正交点变换的公式在形式上是一致的,所以可以把直角坐标变换理解为正交变换,在一

23、个正交等价类中找出方程最简单的曲线作为此正交等价类的代表。因此,可以将关于二次曲线分类定理改述为关于二次曲线度量分类的定理。,定理4.1 在直角坐标系中任意二次曲线度量(正交)等价于下列曲线之一: 其中，a,b,p均为正数。 这九种曲线彼此不度量等价,且同一种方程表示的曲线当系数不同时,它们也彼此不度量等价。因此,二次曲线共有无穷多个度量等价类。,3.二次曲线的仿射分类 定理4.2 在仿射坐标系中，任意二次曲线仿射等价于下列曲线之一： 将定理4.1中的九种方程用仿射变换进一步简化就得到定理4.2。,前五种方程作变换 对 作变换 对 这九种曲线彼此不仿射等价,但任一条二次曲线可以仿射等价于其中之

24、一。因此,二次曲线的仿射等价类共有九个。,例4.1 证明:椭圆的任意一对共轭直径把椭圆的内部分成四块面积相等的部分。 证明 任给一个椭圆C,任取它的一对共轭直径 和 。由定理4.2知,椭圆C与单位圆 在同一个仿射类中,所以存在仿射变换把C变到 。由于直径的共轭性是仿射不变的，因此，把 , 变成 的一对共轭直径 和 。 设C的内部被 和 分成的四块是 (i=1,2,3,4), 的内部被 和 分成的相应四块是 (i=1,2,3,4),则显然有 (i=1,2,3,4)。因为圆 的共轭直径互相垂直,所以 (i=1,2,3,4)的面积彼此相等。由 与 的面积之比等于的变积系数(i=1,2,3,4), 所

25、以 (i=1,2,3,4)的面积也彼此相等。,5 空间的正交变换与仿射变换 与平面的情形一样,可以讨论空间的刚体运动、正交变换与仿射变换。由于证明的方法是类似的,所以对于某些结论不加以证明。,1.空间的正交变换 定义5.1 空间的一个点变换,如果保持点之间的距离不变,称之为正交(点)变换(或等距变换)。 例5.1 空间中取定一点O,取定一向量 ,对于任意一点P,规定它在映射下的像P满足则称是沿方向 的平移。易见平移保持点之间的距离不变,因此,平移是正交变换。 例5.2 空间中所有点绕一定直线的旋转是正交变换。 例5.3 取定一平面,设映射把空间中每一个点对应到它关于平面的对称点,则称为关于平面

26、的镜面反射,简称反射,镜面反射是正交变换。,空间的正交变换的性质有: 性质1 恒等变换是正交变换。 性质2 正交变换的乘积是正交变换。 性质3 正交变换是双射,正交变换的逆变换是正交变换。 由以上三个性质得,空间的正交变换的全体组成的集合是空间的一个变换群,称为空间的正交变换群,简称为正交群。由正交点变换诱导的正交向量变换有如下性质: 性质4 正交变换保持向量的内积不变,保持向量的线性关系不变。 由性质4很容易得到 性质5 正交变换将直线变成直线,并保持共线三点的简单比不变。 性质6 正交变换将平面变成平面，将相交平面变成相交平面，将平行平面变成平行平面。,定理5.1 正交变换将直角标架变成直

27、角标架,且使任一点P的坐标等于(P)的坐标。反之,具有此性质的点变换一定是正交变换。 定理5.2 空间的正交(点)变换在一直角坐标系中的公式为 (5.3) 其中， 是正交矩阵。 反之,如果空间的一个点变换在一个直角坐标系中的公式为(5.3),且系数矩阵 是正交矩阵,则是正交(点)变换。,定义5.2 空间的正交变换,若它在直角坐标系中的公式的系数矩阵A的行列式|A|=+1,则称是第一类的；若|A|=-1,则称是第二类的。 设是例5.2中转角为的旋转。以l为z轴建立直角坐标系 = ,把变成直角坐标系= ,则有 因此从到的坐标变换公式为,空间中任取一点P,设P的坐标为(x,y,z),(P)=P 的坐

28、标为(x,y,z)。由定理5.1,P的坐标为(x,y,z)。对P 应用公式(5.4)得 现在把公式(5.5)的右端的(x,y,z)理解为P的坐标,则(5.5)就是旋转在直角坐标系中的公式。易见是第一类的。 设是例5.3中的反射,以为xOy面建立一直角坐标系,则的公式为 易知反射是第二类的。,55,命题5.1 若是第一类正交变换,且保持原点不动,则必定是绕过原点的某一条定直线的旋转。 命题5.2 若是第二类正交变换,且保持原点不动,则必是一个镜面反射,或是一个镜面反射与一个绕定直线的旋转的乘积。 以上证明略。 空间的(刚体)运动是平移，或绕定直线的旋转，或它们的乘积。 于是由以上两个命题得 定理

29、5.3 空间的正交变换或者是运动，或者是一个运动与一个镜面反射的乘积。,2.空间的仿射变换 定义5.3 空间的一个点变换,如果在一个仿射坐标系中的公式为 其中系数矩阵A是可逆的,则称是空间的仿射点变换。 此定义与仿射坐标系的选择无关。,空间的仿射变换的性质有: (1)恒等变换是仿射变换; (2)两个仿射变换的乘积仍然是仿射变换; (3)仿射变换是双射,它的逆变换是仿射变换; (4)仿射点变换诱导的仿射向量变换保持向量的线性关系不变； (5)仿射变换把直线变成直线,且保持共线三点的简单比不变; (6)仿射变换把平面变成平面，相交平面变成相交平面，平行平面变成平行平面。 由性质(1)、(2)、(3

30、)知道,空间的仿射变换的全体组成的集合是空间的一个变换群,称为仿射变换群,简称仿射群。,定理5.4 仿射变换将一个仿射标架变成仿射标架,且任一点P的坐标等于(P)=P的坐标。反之,具有此性质的空间的点变换是仿射变换。 定理5.5 空间的任何一个仿射变换可分解为一个正交变换与一个沿三个互相垂直方向伸缩的乘积。 定理5.6 设仿射变换由公式(5.7)给出,则按同一比值(|A|的绝对值)改变任意空间区域的体积。 其证明思路与定理3.3的证明一样,只要将三角形的面积改成平行六面体的体积。,3.二次曲面的度量分类与仿射分类 在第四章中,我们用直角坐标变换将二次曲面的一般方程化简，得到17种曲面的结论。由于直角坐标变换公式和正交变换公式的形式是一样的,所以我们可以将二次曲面分类定理改述为二次曲面的度量分类定理。,定理5.7 在直角坐标系中任意二次曲面度量等价于下列曲面之一:,其中，a,b,c,p均为正数。这17种二次曲面彼此不度量等价,且同一种方程表示的曲面如果系数有不同时,它们也不度量等价。因此,二次曲面共有无穷多个度量等价类。,在定理5.7的各方程中,再进行一适当的仿射变换， 就可得到二次曲面的仿射分类定理。 定理5.8 二次曲面仿射等价于下列曲面之一:,