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定理已证明

椭圆情形正是双曲几何的克莱因模型

命题陈述

设 B={x12+⋯+xn2<1}\mathbb{B}=\{x_1^2+\dots+x_n^2<1\} 为开单位球。则 (B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) 通过经典的贝尔特拉米–克莱因模型与常曲率 −1-1 的 nn 维双曲空间等距。更一般地,若 E⊂RnE\subset\mathbb{R}^n 是任意椭球(即 B\mathbb{B} 在某个可逆仿射映射 TT 下的像),则 (E,dE)(E,d_E) 通过 TT 与 (B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) 等距,从而也与双曲空间等距;除此之外,任何与椭球不仿射等价的有界凸区域 Ω\Omega 都不能给出与常曲率空间等距的希尔伯特几何。

为什么成立?

希尔伯特的交比构造,正是阿瑟·凯莱与费利克斯·克莱因数十年前在一条圆锥曲线内部构造双曲几何射影模型时所用的同一种构造——希尔伯特1895年写给克莱因的信指出,真正使交比公式定义出度量的是 Ω\Omega 的凸性,而非圆锥曲线特殊的二次形状。因此,把他的一般构造特殊化回 Ω=B\Omega=\mathbb{B} 便恰好重现了凯莱与克莱因的构造,这正是椭圆成为唯一一种使希尔伯特几何不只是‘类似双曲’、而是真正就是双曲几何的形状的原因。

证明思路

沿直径。 取 x=0x=0,y=(r,0,…,0)y=(r,0,\dots,0),0<r<10<r<1。过这两点的直线与 ∂B\partial\mathbb{B} 交于 a=(−1,0,…,0)a=(-1,0,\dots,0) 与 b=(1,0,…,0)b=(1,0,\dots,0),故 ∣ay∣=1+r|ay|=1+r、∣ax∣=1|ax|=1、∣bx∣=1|bx|=1、∣by∣=1−r|by|=1-r,得 dB(0,y)=12ln⁡1+r1−r=artanh⁡(r)d_{\mathbb{B}}(0,y)=\frac12\ln\frac{1+r}{1-r}=\operatorname{artanh}(r)。这恰好与曲率 −1-1 的贝尔特拉米–克莱因模型中从中心到欧氏半径 rr 处的点的标准双曲距离公式一致。

不在直径上的情形。 对一般的 x,y∈Bx,y\in\mathbb{B},选取一个旋转 R∈O(n)R\in O(n)(固定 00 的球的等距变换),把过 x,yx,y 的直线搬到某坐标轴上;由于 RR 保持 B\mathbb{B} 不变,并把四点 a,x,y,ba,x,y,b 映为交比相同的另外四点,故 dB(x,y)=dB(Rx,Ry)d_{\mathbb{B}}(x,y)=d_{\mathbb{B}}(Rx,Ry);再借助 B\mathbb{B} 的一个双曲等距(保持 B\mathbb{B} 不变、同样保持交比的莫比乌斯变换)把其中一点平移到 00,即化归为上面已算出的直径情形。由此得到的公式恰好就是贝尔特拉米–克莱因距离公式,故 (B,dB)(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}}) 与 nn 维双曲空间等距。

一般椭球。 设 T:Rn→RnT:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n 为满足 T(B)=ET(\mathbb{B})=E 的可逆线性(或仿射)映射。仿射映射是 RPn\mathbb{RP}^n 中固定无穷远超平面的射影变换,而共线点的交比在一切射影变换下都不变;由于 TT 把过 x,y∈Bx,y\in\mathbb{B} 的直线映为过 Tx,Ty∈ETx,Ty\in E 的直线,把边界对 a,ba,b 映为 EE 的边界对 Ta,TbTa,Tb,因此把定义用的四元组映为定义用的四元组,故 [a,x,y,b]=[Ta,Tx,Ty,Tb][a,x,y,b]=[Ta,Tx,Ty,Tb],从而对一切 x,yx,y 都有 dE(Tx,Ty)=dB(x,y)d_E(Tx,Ty)=d_{\mathbb{B}}(x,y)。因此 T:(B,dB)→(E,dE)T:(\mathbb{B},d_{\mathbb{B}})\to(E,d_E) 是一个等距映射,(E,dE)(E,d_E) 同样是 nn 维双曲空间。

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分步证明

该定理暂无分步证明。

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