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定理証明済み

楕円の場合はまさにクライン模型の双曲幾何学である

内容

B={x12+⋯+xn2<1}\mathbb{B}=\{x_1^2+\dots+x_n^2<1\} を開単位球とする。このとき (B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) は、古典的なベルトラミ・クライン模型により、定曲率 −1-1 の nn 次元双曲空間と等長である。さらに一般に、E⊂RnE\subset\mathbb{R}^n が任意の楕円体(可逆アフィン写像 TT による B\mathbb{B} の像)であれば、(E,dE)(E,d_E) は TT を通じて (B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) と等長であり、したがって双曲空間とも等長である。それ以外のどんな有界凸領域 Ω\Omega(楕円体とアフィン同値でないもの)を選んでも、定曲率空間と等長なヒルベルト幾何は得られない。

なぜ正しいのか?

ヒルベルトの複比による構成は、アーサー・ケイリーとフェリックス・クラインが数十年前に円錐曲線の内部に双曲幾何学の射影模型を構築するために用いたものとまったく同じである——ヒルベルトがクラインに宛てた1895年の手紙は、複比の公式が距離を定義できるのは円錐曲線の特別な二次形状ゆえではなく Ω\Omega の凸性ゆえであることを指摘した。したがって彼の一般的な構成を Ω=B\Omega=\mathbb{B} に特殊化すると、ケイリーとクラインの構成をそっくりそのまま再現することになる。これこそ、楕円が単に「双曲的に似ている」のではなく文字通り双曲的であるという、唯一の形である理由である。

証明の概略

直径に沿って。 x=0x=0、y=(r,0,…,0)y=(r,0,\dots,0)(0<r<10<r<1)とする。これらを通る直線は ∂B\partial\mathbb{B} と a=(−1,0,…,0)a=(-1,0,\dots,0)、b=(1,0,…,0)b=(1,0,\dots,0) で交わるので、∣ay∣=1+r|ay|=1+r、∣ax∣=1|ax|=1、∣bx∣=1|bx|=1、∣by∣=1−r|by|=1-r となり、dB(0,y)=12ln⁡1+r1−r=artanh⁡(r)d_{\mathbb{B}}(0,y)=\frac12\ln\frac{1+r}{1-r}=\operatorname{artanh}(r) を得る。これは、曲率 −1-1 のベルトラミ・クライン模型において中心からユークリッド半径 rr の点までの双曲距離の標準公式と正確に一致する。

直径上にない場合。 一般の x,y∈Bx,y\in\mathbb{B} に対して、x,yx,y を通る直線を座標軸に移す回転 R∈O(n)R\in O(n)(00 を固定する円板の等長写像)を選ぶ。RR は B\mathbb{B} を保ち、4点 a,x,y,ba,x,y,b を同じ複比を持つ別の4点に移すので、dB(x,y)=dB(Rx,Ry)d_{\mathbb{B}}(x,y)=d_{\mathbb{B}}(Rx,Ry) となり、さらに B\mathbb{B} の双曲的な等長写像(B\mathbb{B} を保つメビウス変換で、これも複比を保つ)によって一方の点を 00 へ平行移動すれば、上で計算した直径の場合に帰着する。この方法で得られる式はまさにベルトラミ・クラインの距離公式そのものであるから、(B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) は nn 次元双曲空間と等長である。

一般の楕円体。 T:Rn→RnT:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n を T(B)=ET(\mathbb{B})=E を満たす可逆な線形(またはアフィン)写像とする。アフィン写像は無限遠超平面を固定する RPn\mathbb{RP}^n の射影変換であり、共線点の複比はあらゆる射影変換のもとで不変である。TT は x,y∈Bx,y\in\mathbb{B} を通る直線を Tx,Ty∈ETx,Ty\in E を通る直線に、境界の対 a,ba,b を EE の境界の対 Ta,TbTa,Tb に写すので、定義に用いる4点の組を別の4点の組に写す。したがって [a,x,y,b]=[Ta,Tx,Ty,Tb][a,x,y,b]=[Ta,Tx,Ty,Tb] となり、すべての x,yx,y について dE(Tx,Ty)=dB(x,y)d_E(Tx,Ty)=d_{\mathbb{B}}(x,y) が成り立つ。よって T:(B,dB)→(E,dE)T:(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}})\to(E,d_E) は等長写像であり、(E,dE)(E,d_E) も再び nn 次元双曲空間となる。

この定理を使うトピック

ステップごとの証明

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参考文献

  1. Athanase Papadopoulos, Marc Troyanov (eds.) (2014). Handbook of Hilbert Geometry · DOI:10.4171/147
  2. Athanase Papadopoulos, Marc Troyanov (2014). From Funk to Hilbert Geometry · arXiv:1406.6983
  3. David Hilbert (1895). Über die gerade Linie als kürzeste Verbindung zweier Punkte · DOI:10.1007/BF02096204