Geometrie

Proposition 4.9 (Hauptsatz der Projektiven Geometrie). Seien (p 0 , . . . , p n+1 ) und (p ′ 0, . . . , p ′ n+1)
zwei (geordnete) projektive Basen des R n , so gibt es genau eine projektive Abbildung f :
RP n → RP n , die p i auf p ′ i abbildet (0 ≤ i ≤ n + 1).
Beweis. Seien ˆp i bzw. ˆp ′ i entsprechende Vektoren im R n+1 . Dann gibt es lineare Abhängigkeiten
λ 0ˆp 0 + · · · + λ n+1ˆp n+1 und λ ′ 0ˆp ′ 0 + · · · + λ ′ n+1ˆp ′ n+1, die beide bis auf Vielfache eindeutig sind,
und deren Koeffizienten nicht Null sind. Weiter sind (λ 0ˆp 0 , . . . , λ nˆp n ) und (λ ′ 0ˆp ′ 0, . . . , λ ′ nˆp ′ n)
Basen des R n+1 , so dass λ iˆp i ↦→ λ ′ iˆp ′ i eine eindeutige lineare Abbildung definiert. Die linearen
Abhängigkeiten garantieren dann, dass λ n+1ˆp n+1 ↦→ λ ′ n+1ˆp ′ n+1.
Ende 19.5.2011
Korollar 4.10. Die projektiven Transformationen auf dem RP n bilden eine Gruppe.
Diese ist gegeben durch lineare Transformationen auf dem R n+1 modulo Dilatationen, also
PGL(n, R) = GL(n + 1, R)/R ∗
Die Dimension dieser Gruppe, also auch die Anzahl der Freiheitsgrade, die wir für eine projektive
Transformation haben, ist (n + 1) 2 − 1 = (n − 2)n.
Beispiel 4.11. In der Ebene, kann man mit projektiven Transformationen jedes Dreieck auf
jedes Dreieck abbilden, und jedes Viereck auf ein beliebiges Viereck (z.B. ein Einheitsquadrat),
aber nicht jedes Fünfeck auf ein beliebiges (z.B. das regelmäßige) Fünfeck.
Korollar 4.12 (Projektives Koordinatensystem). Die Vektoren e 0 , e 1 , . . . , e n , e 0 + · · · + e n ∈
R n+1 induzieren eine geordnete projektive Basis im RP n .
Ist nun (p 0 , . . . , p n+1 ) eine beliebige geordnete Basis des RP n , so gibt es eine eindeutige Projektivität
nach Hauptsatz 4.9. Diese induziert Koordinaten
(1 : 0 : 0 : · · · : 0) für p 0 ,
(0 : 1 : 0 : · · · : 0) für p 1 ,
. ..
(0 : 0 : 0 : · · · : 1) für p n ,
(1 : 1 : 1 : · · · : 1) für p n+1 ,
wobei die Notation (x 0 : x 1 : x 2 : · · · : x n ) betont, dass diese Vektoren von “Koordinaten” nur
bis auf Vielfache definiert sind.
Mit diesen projektiven Koordinaten kann man rechnen. So entsprechen die Koordinatenvektoren
mit x n ≠ 0 (ohne Einschränkung der Allgemeinheit: x n = 1) genau den Punkten im affinen
Raum R n ⊆ RP n , während die Koordinatenvektoren mit x n = 0 genau den Punkten “im
Unendlichen” entsprechen. Punkte, die auf einer Hyperebene liegen, erfüllen eine homogene
lineare Gleichung, usw.
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