MathLabs
Định lýĐã chứng minh

Trường hợp elip chính là mô hình Klein của hình học hyperbolic

Phát biểu

Cho B={x12+⋯+xn2<1}\mathbb{B}=\{x_1^2+\dots+x_n^2<1\} là hình cầu đơn vị mở. Khi đó (B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) đẳng cự với không gian hyperbolic nn-chiều có độ cong không đổi −1-1, thông qua mô hình Beltrami–Klein cổ điển. Tổng quát hơn, nếu E⊂RnE\subset\mathbb{R}^n là một hình ellipsoid bất kỳ (ảnh của B\mathbb{B} qua một ánh xạ affine khả nghịch TT), thì (E,dE)(E,d_E) đẳng cự với (B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) thông qua TT, do đó cũng đẳng cự với không gian hyperbolic; không có lựa chọn nào khác của Ω\Omega lồi bị chặn (không tương đương affine với một ellipsoid) cho ra một hình học Hilbert đẳng cự với một không gian độ cong không đổi.

Vì sao đúng?

Cấu trúc tỉ số kép của Hilbert chính là cấu trúc mà Arthur Cayley và Felix Klein đã dùng nhiều thập kỷ trước đó để xây dựng mô hình xạ ảnh của hình học hyperbolic bên trong một đường conic — bức thư năm 1895 của Hilbert gửi Klein đã chỉ ra rằng tính lồi của Ω\Omega, chứ không phải hình dạng bậc hai đặc biệt của một đường conic, mới là điều khiến công thức tỉ số kép định nghĩa được một metric. Việc đặc biệt hóa cấu trúc tổng quát của ông trở lại Ω=B\Omega=\mathbb{B} do đó tái tạo lại chính xác cấu trúc của Cayley và Klein, đó chính là lý do vì sao hình elip là hình dạng duy nhất mà ở đó hình học Hilbert không chỉ 'giống hyperbolic' mà thực sự là hyperbolic.

Phác thảo chứng minh

Dọc theo một đường kính. Lấy x=0x=0 và y=(r,0,…,0)y=(r,0,\dots,0) với 0<r<10<r<1. Đường thẳng qua chúng cắt ∂B\partial\mathbb{B} tại a=(−1,0,…,0)a=(-1,0,\dots,0) và b=(1,0,…,0)b=(1,0,\dots,0), nên ∣ay∣=1+r|ay|=1+r, ∣ax∣=1|ax|=1, ∣bx∣=1|bx|=1, ∣by∣=1−r|by|=1-r, cho dB(0,y)=12ln⁡1+r1−r=artanh⁡(r)d_{\mathbb{B}}(0,y)=\frac12\ln\frac{1+r}{1-r}=\operatorname{artanh}(r). Điều này khớp chính xác với công thức chuẩn cho khoảng cách hyperbolic từ tâm tới một điểm ở bán kính Euclid rr trong mô hình Beltrami–Klein có độ cong −1-1.

Ngoài một đường kính. Với x,y∈Bx,y\in\mathbb{B} bất kỳ, chọn một phép quay R∈O(n)R\in O(n) (một đẳng cự của hình cầu tròn cố định 00) đưa đường thẳng qua x,yx,y về một trục tọa độ; vì RR bảo toàn B\mathbb{B} và đưa bốn điểm a,x,y,ba,x,y,b tới một bộ bốn khác có cùng tỉ số kép, nên dB(x,y)=dB(Rx,Ry)d_{\mathbb{B}}(x,y)=d_{\mathbb{B}}(Rx,Ry), quy về trường hợp đường kính đã tính ở trên sau khi cũng tịnh tiến một điểm về 00 nhờ một đẳng cự hyperbolic của B\mathbb{B} (một phép biến đổi Möbius bảo toàn B\mathbb{B}, phép này cũng bảo toàn tỉ số kép). Vì công thức thu được theo cách này chính xác là công thức khoảng cách Beltrami–Klein, nên (B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) đẳng cự với không gian hyperbolic nn-chiều.

Ellipsoid tổng quát. Cho T:Rn→RnT:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n là một ánh xạ tuyến tính (hoặc affine) khả nghịch với T(B)=ET(\mathbb{B})=E. Một ánh xạ affine là một phép biến đổi xạ ảnh của RPn\mathbb{RP}^n giữ nguyên siêu phẳng ở vô cực, và tỉ số kép của các điểm thẳng hàng bất biến qua mọi phép biến đổi xạ ảnh; vì TT đưa đường thẳng qua x,y∈Bx,y\in\mathbb{B} tới đường thẳng qua Tx,Ty∈ETx,Ty\in E, và đưa cặp biên a,ba,b tới cặp biên Ta,TbTa,Tb của EE, nên nó đưa bộ bốn xác định tới bộ bốn xác định, do đó [a,x,y,b]=[Ta,Tx,Ty,Tb][a,x,y,b]=[Ta,Tx,Ty,Tb] và vì vậy dE(Tx,Ty)=dB(x,y)d_E(Tx,Ty)=d_{\mathbb{B}}(x,y) với mọi x,yx,y. Vậy T:(B,dB)→(E,dE)T:(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}})\to(E,d_E) là một đẳng cự, nên (E,dE)(E,d_E) lại là không gian hyperbolic nn-chiều.

Chủ đề chứa định lý này

Chứng minh từng bước

Chưa có chứng minh từng bước cho định lý này.

Tài liệu tham khảo

  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