ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์

ในเรขาคณิตเชิงฉายทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ซึ่งตั้งชื่อตามจิราร์ด เดซาร์กส์กล่าวไว้ว่า:
- รูปสามเหลี่ยมสองรูปจะอยู่ในมุมมองตามแนวแกนก็ต่อเมื่อ รูปสามเหลี่ยมทั้งสอง นั้นอยู่ในมุมมองตามแนวศูนย์กลาง แล้วเท่านั้น
รูปสามเหลี่ยมสองรูปจะอยู่ในมุมมองแบบแกน ถ้าด้าน ที่สอดคล้องกัน ของรูปสามเหลี่ยมทั้งสอง เมื่อต่อออกไปแล้วจะมาบรรจบกันที่จุดบนเส้นตรงเส้นหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าแกนของมุมมอง ส่วนรูปสามเหลี่ยมสองรูปจะอยู่ในมุมมองแบบศูนย์กลาง ถ้าเส้นตรงที่ลากผ่านจุดยอด ที่สอดคล้องกัน ของรูปสามเหลี่ยมทั้งสอง มาบรรจบกันที่จุดหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าศูนย์กลางของมุมมองทฤษฎีบทของเดซาร์กส์กล่าวว่า ความจริงของเงื่อนไขแรกเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นและเพียงพอสำหรับความจริงของเงื่อนไขที่สอง
ทฤษฎีบทจุดตัดนี้เป็นจริงในระนาบยุคลิด ทั่วไป แต่ต้องระมัดระวังเป็นพิเศษในกรณีพิเศษ เช่น เมื่อด้านสองด้านขนานกัน ซึ่งจะทำให้ "จุดตัด" ของด้านทั้งสองนั้นอยู่ไกลออกไปจนถึงอนันต์ โดยทั่วไป เพื่อขจัดข้อยกเว้นเหล่านี้ นักคณิตศาสตร์จะ "เติมเต็ม" ระนาบยุคลิดโดยการเพิ่มจุดที่อนันต์ ตามแนวคิดของฌอง-วิกเตอร์ ปองเซเลต์ซึ่งจะได้ระนาบเชิงฉาย (projective plane )
ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์เป็นจริงสำหรับระนาบเชิงโปรเจกทีฟจริงและสำหรับปริภูมิเชิงโปรเจกทีฟใดๆ ที่นิยามทางพีชคณิตจากฟิลด์หรือวงแหวนหารซึ่งรวมถึงปริภูมิเชิงโปรเจกทีฟใดๆ ที่มีมิติมากกว่าสองหรือที่ทฤษฎีบทของปัปปัสเป็นจริง อย่างไรก็ตาม มี " ระนาบที่ไม่ใช่เดซาร์กส์ " จำนวนมาก ซึ่งทฤษฎีบทของเดซาร์กส์เป็นเท็จ
สูตร
ให้จุดยอด ทั้งสาม ของสามเหลี่ยมรูปหนึ่งเป็นa , bและcและจุดยอดทั้งสามของสามเหลี่ยมอีกรูปหนึ่งเป็นA , B และCให้จุดยอดของสามเหลี่ยมทั้งสองเชื่อมต่อกันด้วยเส้นตรง เส้นตรงabและABตัดกันที่จุดแรก เส้นตรงacและACตัดกันที่จุดที่สอง และเส้นตรงbcและBCตัดกันที่จุดที่สาม การมองภาพแบบแกน (Axial perspectivity)หมายความว่าจุดทั้งสามนี้อยู่บนเส้นตรงเดียวกัน เรียกว่าแกนของการมองภาพ (Axis of perspectivity ) การมองภาพแบบจุดศูนย์กลาง (Central perspectivity ) หมายความว่าเส้นตรงAa , BbและCcตัดกันที่จุดเดียวกัน เรียกว่าจุดศูนย์กลางของการมองภาพ (Center of perspectivity )
ประวัติศาสตร์
เดซาร์เกสไม่เคยตีพิมพ์ทฤษฎีบทนี้ แต่ทฤษฎีบทนี้ปรากฏในภาคผนวกชื่อวิธีการสากลของ ม. เดซาร์เกส สำหรับการใช้ทัศนียภาพ ( Manière universelle de M. Desargues pour practiquer la perspective ) ในหนังสือปฏิบัติเกี่ยวกับการใช้ทัศนียภาพที่ตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1648 [ 1 ]โดยเพื่อนและลูกศิษย์ของเขา อับราฮัม บอสเซ (ค.ศ. 1602–1676) [ 2 ]
การประสานงาน
ความสำคัญของทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ในเรขาคณิตเชิงโปรเจกทีฟนามธรรมนั้น มาจากข้อเท็จจริงที่ว่าปริภูมิเชิงโปรเจกทีฟจะสอดคล้องกับทฤษฎีบทนั้นก็ต่อเมื่อมันสมสัณฐานกับปริภูมิเชิงโปรเจกทีฟที่นิยามไว้เหนือฟิลด์หรือวงแหวนแบ่งส่วนเท่านั้น
ปริภูมิเชิงฉายเทียบกับปริภูมิเชิงแอฟฟิน
ในปริภูมิเชิงเส้นตรงเช่นระนาบยุคลิดข้อความที่คล้ายกันนี้ก็เป็นจริงเช่นกัน แต่เฉพาะในกรณีที่ระบุข้อยกเว้นต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับเส้นขนานเท่านั้น ดังนั้น ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์จึงเป็นหนึ่งในทฤษฎีบททางเรขาคณิตที่ง่ายที่สุด ซึ่งเหมาะสมกับปริภูมิเชิงฉายมากกว่าปริภูมิเชิงเส้นตรง
ความเป็นสองด้านในตนเอง
ตามนิยามแล้ว สามเหลี่ยมสองรูปจะเป็นสามเหลี่ยมทัศนียภาพก็ต่อเมื่อสามเหลี่ยมทั้งสองอยู่ในทัศนียภาพแบบจุดศูนย์กลาง (หรือเทียบเท่าตามทฤษฎีบทนี้ คืออยู่ในทัศนียภาพแบบแกน) โปรดทราบว่าสามเหลี่ยมทัศนียภาพไม่จำเป็นต้องเป็นรูปสามเหลี่ยมที่คล้ายกัน
ภายใต้ความเป็นคู่มาตรฐานของเรขาคณิตเชิงฉายภาพระนาบ (โดยที่จุดสอดคล้องกับเส้นตรง และการเรียงตัวเป็นเส้นตรงของจุดสอดคล้องกับการทับซ้อนกันของเส้นตรง) ข้อความของทฤษฎีบทของ Desargues นั้นเป็นแบบคู่ในตัวเอง: มุมมองเชิงแกนจะถูกแปลเป็นมุมมองเชิงศูนย์กลาง และในทางกลับกัน การกำหนดค่าของ Desargues (ด้านล่าง) เป็นการกำหนดค่าแบบคู่ในตัวเอง[ 3 ]
ความเป็นคู่ในตัวเองในข้อความนี้เกิดจากวิธีการเขียนทฤษฎีบทแบบสมัยใหม่ตามปกติ ในอดีต ทฤษฎีบทนี้เขียนไว้เพียงว่า "ในปริภูมิเชิงฉาย สามเหลี่ยมที่มีมุมมองศูนย์กลางคู่หนึ่งจะมีมุมมองตามแกน" และข้อความคู่ของข้อความนี้เรียกว่าบทกลับของทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ และถูกอ้างถึงด้วยชื่อนั้นเสมอ[ 4 ]
การพิสูจน์ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์
ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ใช้ได้กับปริภูมิเชิงโปรเจกทีฟทุกมิติเหนือฟิลด์หรือวงแหวนแบ่งแยกใดๆ และยังใช้ได้กับปริภูมิเชิงโปรเจกทีฟนามธรรมที่มีมิติอย่างน้อย 3 ด้วย ในมิติ 2 ระนาบที่ทฤษฎีบทนี้ใช้ได้เรียกว่าระนาบเดซาร์กส์และเป็นระนาบเดียวกันกับระนาบที่สามารถกำหนดพิกัดเหนือวงแหวนแบ่งแยกได้ นอกจากนี้ยังมีระนาบที่ไม่ใช่เดซาร์กส์อีกหลายระนาบที่ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ใช้ไม่ได้
การพิสูจน์สามมิติ
ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์เป็นจริงสำหรับปริภูมิเชิงฉายใดๆ ที่มีมิติอย่างน้อย 3 และโดยทั่วไปแล้วเป็นจริงสำหรับปริภูมิเชิงฉายใดๆ ที่สามารถฝังตัวอยู่ในปริภูมิที่มีมิติอย่างน้อย 3 ได้
ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์สามารถกล่าวได้ดังนี้:
- ถ้าเส้นAa , BbและCcตัดกันที่จุดเดียวกัน (มาบรรจบกันที่จุดเดียว) แล้ว
- จุดAB ∩ ab , AC ∩ acและBC ∩ bcอยู่บนเส้นตรงเดียวกัน
จุดA , Bและaอยู่บนระนาบเดียวกัน (อยู่ในระนาบเดียวกัน) เนื่องจากสมมติฐานที่ว่าจุดAa และ Bb ตัดกัน ที่ จุด เดียวกัน ดังนั้น เส้นตรงABและabจึงอยู่ในระนาบเดียวกันและต้องตัดกัน นอกจากนี้ ถ้าสามเหลี่ยมทั้งสองอยู่บนระนาบที่แตกต่างกัน จุดAB ∩ abจะอยู่ในระนาบทั้งสอง ด้วยเหตุผลสมมาตร จุดAC ∩ acและBC ∩ bcก็มีอยู่และอยู่ในระนาบของสามเหลี่ยมทั้งสองเช่นกัน เนื่องจากระนาบทั้งสองตัดกันมากกว่าหนึ่งจุด จุดตัดของระนาบทั้งสองจึงเป็นเส้นตรงที่ผ่านจุดทั้งสามนั้น
วิธีนี้พิสูจน์ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ได้ก็ต่อเมื่อสามเหลี่ยมทั้งสองไม่ได้อยู่ในระนาบเดียวกัน แต่ถ้าอยู่ในระนาบเดียวกัน ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์สามารถพิสูจน์ได้โดยการเลือกจุดที่ไม่อยู่ในระนาบ ใช้จุดนี้ยกสามเหลี่ยมออกจากระนาบเพื่อให้ข้อโต้แย้งข้างต้นใช้ได้ แล้วจึงฉายภาพกลับเข้าไปในระนาบ ขั้นตอนสุดท้ายของการพิสูจน์จะล้มเหลวหากปริภูมิเชิงฉายมีมิติน้อยกว่า 3 เพราะในกรณีนี้จะไม่สามารถหาจุดที่ไม่อยู่ในระนาบได้
Monge's theorem also asserts that three points lie on a line, and has a proof using the same idea of considering it in three rather than two dimensions and writing the line as an intersection of two planes.
Two-dimensional proof
As there are non-Desarguesian projective planes in which Desargues's theorem is not true,[5] some extra conditions need to be met in order to prove it. These conditions usually take the form of assuming the existence of sufficiently many collineations of a certain type, which in turn leads to showing that the underlying algebraic coordinate system must be a division ring (skewfield).[6]
Relation to Pappus's theorem
Pappus's hexagon theorem states that, if a hexagonAbCaBc is drawn in such a way that vertices a, b and c lie on a line and vertices A, B and C lie on a second line, then each two opposite sides of the hexagon lie on two lines that meet in a point and the three points constructed in this way are collinear. A plane in which Pappus's theorem is universally true is called Pappian. Hessenberg (1905)[7] showed that Desargues's theorem can be deduced from three applications of Pappus's theorem.[8]
The converse of this result is not true, that is, not all Desarguesian planes are Pappian. Satisfying Pappus's theorem universally is equivalent to having the underlying coordinate system be commutative. A plane defined over a non-commutative division ring (a division ring that is not a field) would therefore be Desarguesian but not Pappian. However, due to Wedderburn's little theorem, which states that all finite division rings are fields, all finite Desarguesian planes are Pappian. There is no known completely geometric proof of this fact, although Bamberg & Penttila (2015) give a proof that uses only "elementary" algebraic facts (rather than the full strength of Wedderburn's little theorem).
The Desargues configuration

เส้นตรงสิบเส้นที่เกี่ยวข้องในทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ (ด้านหกด้านของรูปสามเหลี่ยม เส้นตรงสามเส้นAa , BbและCcและแกนของทัศนียภาพ) และจุดสิบจุดที่เกี่ยวข้อง (จุดยอดหกจุด จุดตัดสามจุดบนแกนของทัศนียภาพ และจุดศูนย์กลางของทัศนียภาพ) ถูกจัดเรียงไว้เพื่อให้แต่ละเส้นตรงผ่านจุดสามจุดจากสิบจุด และแต่ละจุดจากสิบจุดอยู่บนเส้นตรงสามเส้นจากสิบเส้น จุดและเส้นตรงสิบเส้นนี้ประกอบกันเป็นโครงร่างของเดซาร์กส์ซึ่งเป็นตัวอย่างของโครงร่างเชิงฉายแม้ว่าทฤษฎีบทของเดซาร์กส์จะเลือกบทบาทที่แตกต่างกันสำหรับเส้นตรงและจุดสิบจุดเหล่านี้ แต่โครงร่างของเดซาร์กส์เองนั้นมีความสมมาตร มากกว่า กล่าว คือ สามารถเลือกจุด ใดก็ได้จากสิบจุดให้เป็นจุดศูนย์กลางของทัศนียภาพ และการเลือกนั้นจะกำหนดว่าจุดหกจุดใดจะเป็นจุดยอดของรูปสามเหลี่ยมและเส้นตรงใดจะเป็นแกนของทัศนียภาพ
ทฤษฎีบทเดซาร์กส์น้อย
ทฤษฎีบทที่จำกัดนี้ระบุว่า ถ้าสามเหลี่ยมสองรูปมองจากจุดบนเส้นตรงที่กำหนด และด้านที่สอดคล้องกันสองคู่มาบรรจบกันบนเส้นตรงนั้นแล้ว ด้านที่สอดคล้องกันคู่ที่สามก็จะมาบรรจบกันบนเส้นตรงนั้นด้วยเช่นกัน ดังนั้น นี่จึงเป็นการประยุกต์ใช้ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์เฉพาะกรณีที่จุดศูนย์กลางของการมองตามมุมมองอยู่บนแกนของการมองตามมุมมองเท่านั้น
ระนาบมูฟาง (Moufang plane)คือระนาบเชิงโปรเจกทีฟ (projective plane) ที่ทฤษฎีบทเดซาร์กส์เล็ก (Little Desargues theorem) ใช้ได้กับทุกเส้นตรง
ดูเพิ่มเติม
หมายเหตุ
- ↑สมิธ (1959 , หน้า 307)
- ↑คัตซ์ (1998 , หน้า 461)
- ↑ ( ค็อกเซเตอร์ 1964 ) หน้า 26–27
- ↑ ( ค็อกซ์เตอร์ 1964 หน้า 19)
- ↑ตัวอย่างที่เล็กที่สุดของสิ่งเหล่านี้สามารถพบได้ใน Room & Kirkpatrick 1971
- ↑ ( Albert & Sandler 2015 ) , ( Hughes & Piper 1973 ) , และ ( Stevenson 1972 ) .
- ↑ตามที่ ( Dembowski 1968 , หน้า 159, เชิงอรรถ 1) ระบุไว้ การพิสูจน์ดั้งเดิมของ Hessenberg ไม่สมบูรณ์ เขาละเลยความเป็นไปได้ที่เหตุการณ์เพิ่มเติมบางอย่างอาจเกิดขึ้นในการกำหนดค่า Desargues การพิสูจน์ที่สมบูรณ์มีอยู่ใน Cronheim 1953
- ↑ค็อกซ์เตอร์ 1969 หน้า 238 ส่วนที่ 14.3
ลิงก์ภายนอก
- ทฤษฎีบทเดซาร์กส์ที่MathWorld
- ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ที่cut-the-knot
- Monge ผ่านทาง Desarguesที่cut-the-knot
- การพิสูจน์ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ที่PlanetMath
- ทฤษฎีบทของเดซาร์กส์ในภาพร่างเรขาคณิตเชิงพลวัต