平面的投影變換 5 極點,極線,固定點和固定線

2021-07-22 21:45:04 字數 2713 閱讀 9013

1. 極點和極線

定義(極點pole和極線polar):點x與二次曲線c共同決定一條直線l = cx叫做xc的極線,點x叫做極線lc的極點。

定理(極點與極線的關係, pole-polar relationship):點xc的極線lc相交於兩點,通過這兩點的c的兩條切線相交於點x.

如果點x位於c上,則它的極線就是c在點x上的切線。

如果點x位於c內部,會怎麼樣?

定義(相關,correlation):由極點和極線的定義可知,二次曲線引入了在空間p2 上從點x到直線l之間的乙個對映,這個對映關係可以用1個3x3非奇異矩陣a來表示,即l = ax. 這叫做相關,它代表在空間

p2

上從乙個點到一條直線的乙個可逆的對映。

對映矩陣a不一定是對稱的,但是二次曲線c一定是對稱的。並且由於c的對稱性,使得這一對映具有共軛的特點。

定義(共軛點, conjugate points):如果極點x對二次曲線c的極線為l = cx,且點y位於極線l上,則有 yt 

l=yt 

cx= 0。任意兩個滿足條件yt 

cx= 0

的點xy稱為對c共軛。

定理(共軛定理):如果點x位於點y的極線上,那麼y也位於x的極線上。

由二次曲線c的對稱性,很容易得到上述結論。

由對偶定理,可以得到具有共軛關係的兩條直線。

定義(共軛直線,conjugate lines):兩條直線lm共軛,如果 lt 

c*m= 0.

2. 固定點和固定線

前面已經講到,無窮線在投影變換下是固定的,而虛圓點在相似性變換下是固定的。本節進一步討論這個問題。

對3x3變換矩陣 h 進行特徵值分解,得到

he = λe

其中 e是

特徵向量,

λ是特徵值。如果把特徵向量 e 看做 p2 

空間中的乙個齊次點,則顯然 e 和λe 

代表同乙個點。這說明點 e 在變換 h 中是個固定點。

3x3 

矩陣 h 最多有3個特徵值,則相應的有3個固定點。

對於直線的變換l'= h-t

l,  把它寫成

l= ht 

l',  則可以看到,ht 

的特徵向量對應於3條固定線。

歐式矩陣:進行特徵值分解,得到

可見,歐式矩陣的兩個特徵值代表旋轉角度,它們對應的特徵向量就是兩個虛圓點ij. 可見虛圓點在歐式變換下是固定的。

第三個特徵向量 (a,b,c)t

,叫做極點 (pole) ,對應於特徵值1。

相似矩陣:進行特徵值分解,得到

可見,虛圓點在相似變換下仍然是固定的。特徵值代表了旋轉角度和縮放比例。

仿射矩陣:對仿射矩陣的轉置矩陣 ha

t 進行特徵值分解,得到

可見,無窮線l

∞= (0, 0, 1)

t在仿射變換下是固定的。

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