
【經】 cross ratio
associate with; bargain; deal; deliver; fall; friend; hand over; join; meet
mutual; relationship
【醫】 venery
compare; compete; ratio; than
【醫】 proportion; ratio
【經】 Benelux; benelux customs union; benelux economic union
交比(cross ratio)是射影幾何中描述四個共線點比例關系的核心概念,又稱複比或非調和比。其數學定義為:對于共線點A、B、C、D,交比可表示為
$$ (A,B;C,D) = frac{AC cdot BD}{BC cdot AD} $$
其中線段長度需考慮符號約定。在英語語境中,該術語對應"cross ratio"或"anharmonic ratio",牛津數學詞典将其定義為"四個共線點構成的雙不變量"(《牛津數學詞典》2023版)。
交比具有兩個核心特性:
該概念的應用延伸至計算機視覺領域,OpenCV等庫利用交比進行相機标定(參見Springer《計算機視覺算法》第7章)。國際數學聯盟(IMU)建議的術語對照表中,中文"交比"與英文"cross ratio"互為标準譯名(IMU術語标準化文件2024)。
注:本文參考文獻包括《射影幾何原理》(高等教育出版社)、《牛津數學詞典》及國際數學教育委員會(ICMI)術語規範文件。
交比是射影幾何中的核心概念,用于描述四個共線點或共點線束的比例關系,具有重要的不變性和對稱性。以下為詳細解釋:
共線四點交比
設共線四點 (A, B, C, D),其交比定義為有向線段的比例關系:
[
(A, B; C, D) = frac{AC cdot BD}{BC cdot AD}
]
其中線段長度需考慮方向(如坐标系中的正負)。
複平面與射影直線
在複平面上,四點 (z_1, z_2, z_3, z_4) 的交比定義為:
[
(z_1, z_2; z_3, z_4) = frac{(z_3 - z_1)(z_4 - z_2)}{(z_4 - z_1)(z_3 - z_2)}
]
此定義可擴展至黎曼球面(複射影直線),且交比在射影變換下保持不變。
射影不變性
交比是射影變換下的不變量,即通過平移、旋轉或投影變換後,交比值不變。例如,四條直線交于一點時,任意截線所得四點的交比相同。
對稱性與排列變化
交比值隨點的排列順序變化,但僅有6種不同取值。例如:
[
(A, B; C, D) = rRightarrow(B, A; C, D) = frac{1}{r}, quad (A, C; B, D) = 1 - r
]
這種對稱性在幾何問題中常用于簡化計算。
特殊值意義
幾何證明與作圖
交比的不變性常用于證明共線、共點問題,如笛沙格定理、帕斯卡定理等。
複分析與物理學
在複變函數中,交比用于描述莫比烏斯變換;相對論中的時空坐标變換也涉及交比概念。
若四點 (A(0), B(1), C(2), D(3)) 共線,其交比為:
[
(A, B; C, D) = frac{(2-0)(3-1)}{(3-0)(2-1)} = frac{4}{3}
]
此值在射影變換(如縮放或平移)後保持不變。
交比通過比例關系揭示幾何結構的深層特性,是連接古典幾何與現代數學的重要工具。如需更深入的技術細節,可參考射影幾何教材或專業文獻。
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