Πίνακας Πλύκερ

Ο πίνακας Πλύκερ είναι ένας ειδικός αντισυμμετρικός πίνακας 4 × 4 που ταυτίζεται με μια ευθεία γραμμή στον προβολικό χώρο. Ο πίνακας ορίζεται από 6 συντεταγμένες Πλύκερ με 4 βαθμούς ελευθερίας. Πήρε το όνομά του από τον Γερμανό μαθηματικό Γιούλιους Πλύκερ (Julius Plücker).

Ορισμός

Μια ευθεία γραμμή στο χώρο ορίζεται από δύο διαφορετικά σημεία $A={(A_0,A_1,A_2,A_3)}^{\mathrm{\top }}\in ℝ{𝒫}^3$ και $B={(B_0,B_1,B_2,B_3)}^{\mathrm{\top }}\in ℝ{𝒫}^3$ σε ομογενείς συντεταγμένες του προβολικού χώρου. Ο πίνακας Plücker του είναι:

$[𝐋{]}_{\times }\propto 𝐀{𝐁}^{\mathrm{\top }}-𝐁{𝐀}^{\mathrm{\top }}=\left(\begin{array}{cccc}0& -L_{01}& -L_{02}& -L_{03}\\ L_{01}& 0& -L_{12}& -L_{13}\\ L_{02}& L_{12}& 0& -L_{23}\\ L_{03}& L_{13}& L_{23}& 0\end{array}\right)$

Όπου το αντισυμμετρικό σύστημα $4\times 4$-πίνακας ορίζεται από τις 6 συντεταγμένες Πλύκερ

$𝐋\propto (L_{01},L_{02},L_{03},L_{12},L_{13},L_{23}{)}^{\mathrm{\top }}$

με

$L_{ij}=A_i{B}_j-B_i{A}_j.$

Οι συντεταγμένες Πλύκερ πληρούν τις σχέσεις Γκράσμαν-Πλύκερ

$L_{01}{L}_{23}-L_{02}{L}_{13}+L_{03}{L}_{12}=0$

και ορίζονται σε κλίμακα. Ένας πίνακας Πλύκερ έχει μόνο βαθμό  2 και τέσσερις βαθμούς ελευθερίας (όπως οι γραμμές στον ${ℝ}^3$). Είναι ανεξάρτητοι από μια συγκεκριμένη επιλογή των σημείων $𝐀$ και $𝐁$ και μπορούν να θεωρηθούν ως γενίκευση της εξίσωσης της γραμμής, δηλαδή του σταυροειδούς γινομένου τόσο για την τομή (συνάντηση) δύο ευθειών, όσο και για την ευθεία σύνδεσης δύο σημείων στο προβολικό επίπεδο.

Ιδιότητες

Ο πίνακας Πλύκερ μας επιτρέπει να εκφράσουμε τις ακόλουθες γεωμετρικές πράξεις ως γινόμενο πίνακα-διανύσματος:

• Το επίπεδο περιέχει γραμμή: $\mathrm{𝟎}=[𝐋{]}_{\times }𝐄$
• $𝐗=[𝐋{]}_{\times }𝐄$ είναι το σημείο τομής της ευθείας $𝐋$ και του επιπέδου $𝐄$ ('Meet')
• Το σημείο βρίσκεται πάνω στην ευθεία: $\mathrm{𝟎}=[\widetilde{𝐋}{]}_{\times }𝐗$
• $𝐄=[\widetilde{𝐋}{]}_{\times }𝐗$ είναι το κοινό επίπεδο $𝐄$, το οποίο περιέχει τόσο το σημείο $𝐗$ όσο και την ευθεία $𝐋$ ('Join').
• Κατεύθυνση μιας γραμμής: $[𝐋{]}_{\times }{\pi }^{\mathrm{\infty }}=[𝐋{]}_{\times }(0,0,0,1{)}^{\mathrm{\top }}={(-L_{03},-L_{13},-L_{23},0)}^{\mathrm{\top }}$ (Σημείωση: Το τελευταίο μπορεί να ερμηνευτεί ως ένα επίπεδο κάθετο στην ευθεία που διέρχεται από την αρχή των συντεταγμένων)
• Το πλησιέστερο σημείο στην αρχή ${𝐗}_0\cong [𝐋{]}_{\times }[𝐋{]}_{\times }{\pi }^{\mathrm{\infty }}.$

Μοναδικότητα

Δύο αυθαίρετα διακριτά σημεία της ευθείας μπορούν να γραφούν ως γραμμικός συνδυασμός των $𝐀$ και $𝐁$:

${𝐀}^{\prime }\propto 𝐀\alpha +𝐁\beta \text{ και }{𝐁}^{\prime }\propto 𝐀\gamma +𝐁\delta .$

Ο πίνακας Πλύκερ τους είναι συνεπώς:

$\begin{array}{cc}[{𝐋}^{\prime }{]}_{\times }& ={𝐀}^{\prime }{𝐁}^{\prime }-{𝐁}^{\prime }{𝐀}^{\prime }\\ & =(𝐀\alpha +𝐁\beta )(𝐀\gamma +𝐁\delta {)}^{\mathrm{\top }}-(𝐀\gamma +𝐁\delta )(𝐀\alpha +𝐁\beta {)}^{\mathrm{\top }}\\ & =\underset{\lambda }{\underbrace{(\alpha \delta -\beta \gamma )}}[𝐋{]}_{\times },\end{array}$

μέχρι την κλίμακα που ταυτίζεται με την κλίμακα $[𝐋{]}_{\times }$.

Τομή με επίπεδο

Η συνάντηση ενός επιπέδου και μιας γραμμής στον προβολικό τρισδιάστατο χώρο όπως εκφράζεται με πολλαπλασιασμό με τον πίνακα Πλύκερ

Έστω $𝐄={(E_0,E_1,E_2,E_3)}^{\mathrm{\top }}\in ℝ{𝒫}^3$ συμβολίζει το επίπεδο με την εξίσωση

$E_{0}x+E_{1}y+E_{2}z+E_3=0.$

η οποία δεν περιέχει τη γραμμή $𝐋$. Τότε, το διανυσματικό γινόμενο πίνακα με τον πίνακα Πλύκερ περιγράφει ένα σημείο

$𝐗=[𝐋{]}_{\times }𝐄=𝐀\underset{\alpha }{\underbrace{{𝐁}^{\mathrm{\top }}𝐄}}-𝐁\underset{\beta }{\underbrace{{𝐀}^{\mathrm{\top }}𝐄}}=𝐀\alpha +𝐁\beta ,$

η οποία βρίσκεται στην ευθεία $𝐋$ επειδή είναι γραμμικός συνδυασμός των $𝐀$ και $𝐁$. Η $𝐗$ περιέχεται επίσης στο επίπεδο $𝐄$.

${𝐄}^{\mathrm{\top }}𝐗={𝐄}^{\mathrm{\top }}[𝐋{]}_{\times }𝐄=\underset{\alpha }{\underbrace{{𝐄}^{\mathrm{\top }}𝐀}}\underset{\beta }{\underbrace{{𝐁}^{\mathrm{\top }}𝐄}}-\underset{\beta }{\underbrace{{𝐄}^{\mathrm{\top }}𝐁}}\underset{\alpha }{\underbrace{{𝐀}^{\mathrm{\top }}𝐄}}=0,$

και επομένως πρέπει να είναι το σημείο τομής τους.

Επιπλέον, το γινόμενο του πίνακα Πλύκερ με ένα επίπεδο είναι το μηδενικό διάνυσμα, ακριβώς αν η ευθεία $𝐋$ περιέχεται εξ ολοκλήρου στο επίπεδο:

$\alpha =\beta =0⟺𝐄$ περιέχει $𝐋.$

Δυϊκός πίνακας Πλύκερ

Η ένωση ενός σημείου και μιας γραμμής στον προβολικό τρισδιάστατο χώρο όπως εκφράζεται με πολλαπλασιασμό με τον πίνακα Πλύκερ

Στον προβολικό τρισδιάστατο χώρο, τόσο τα σημεία όσο και τα επίπεδα έχουν την ίδια αναπαράσταση ως 4-διανύσματα και η αλγεβρική περιγραφή της γεωμετρικής τους σχέσης (το σημείο βρίσκεται στο επίπεδο) είναι συμμετρική. Αν αλλάξουμε τους όρους επίπεδο και σημείο σε ένα θεώρημα, λαμβάνουμε ένα δυϊκό θεώρημα το οποίο είναι επίσης αληθές.

Στην περίπτωση του πίνακα Πλύκερ, υπάρχει μια διπλή αναπαράσταση της ευθείας στο χώρο ως τομή δύο επιπέδων:

$E={(E_0,E_1,E_2,E_3)}^{\mathrm{\top }}\in ℝ{𝒫}^3$

και

$F={(F_0,F_1,F_2,F_3)}^{\mathrm{\top }}\in ℝ{𝒫}^3$

σε ομογενείς συντεταγμένες του προβολικού χώρου. Ο πίνακας Πλύκερ τους είναι:

${\left[\widetilde{𝐋}\right]}_{\times }=𝐄{𝐅}^{\mathrm{\top }}-𝐅{𝐄}^{\mathrm{\top }}$

και

$𝐆={\left[\widetilde{𝐋}\right]}_{\times }𝐗$

περιγράφει το επίπεδο $𝐆$ που περιέχει τόσο το σημείο $𝐗$ όσο και την ευθεία $𝐋$.

Σχέση μεταξύ πρωταρχικών και δυϊκών πινάκων Πλύκερ

Καθώς το διάνυσμα $𝐗=[𝐋{]}_{\times }𝐄$, με ένα αυθαίρετο επίπεδο $𝐄$, είναι είτε το μηδενικό διάνυσμα είτε ένα σημείο της ευθείας, προκύπτει:

$\mathrm{\forall }𝐄\in ℝ{𝒫}^3:𝐗=[𝐋{]}_{\times }𝐄\text{ lies on }𝐋⟺{\left[\widetilde{𝐋}\right]}_{\times }𝐗=\mathrm{𝟎}.$

Επομένως:

${([\widetilde{𝐋}{]}_{\times }[𝐋{]}_{\times })}^{\mathrm{\top }}=[𝐋{]}_{\times }{\left[\widetilde{𝐋}\right]}_{\times }=\mathrm{𝟎}\in {ℝ}^{4\times 4}.$

Το ακόλουθο γινόμενο πληροί αυτές τις ιδιότητες:

$\begin{array}{cc}& \left(\begin{array}{cccc}0& L_{23}& -L_{13}& L_{12}\\ -L_{23}& 0& L_{03}& -L_{02}\\ L_{13}& -L_{03}& 0& L_{01}\\ -L_{12}& L_{02}& -L_{01}& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}0& -L_{01}& -L_{02}& -L_{03}\\ L_{01}& 0& -L_{12}& -L_{13}\\ L_{02}& L_{12}& 0& -L_{23}\\ L_{03}& L_{13}& L_{23}& 0\end{array}\right)\\ =& (L_{01}{L}_{23}-L_{02}{L}_{13}+L_{03}{L}_{12})\cdot \left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)=\mathrm{𝟎},\end{array}$

λόγω της σχέσης Γκράσμαν-Πλύκερ. Με τη μοναδικότητα των πινάκων Πλύκερ μέχρι το βαθμωτό πολλαπλάσιο, για τις πρωταρχικές συντεταγμένες Πλύκερ

$𝐋={(L_{01},L_{02},L_{03},L_{12},L_{13},L_{23})}^{\mathrm{\top }}$

προκύπτει η ακόλουθη διπλή συντεταγμένη Πλύκερ:

$\widetilde{𝐋}={(L_{23},-L_{13},L_{12},L_{03},-L_{02},L_{01})}^{\mathrm{\top }}.$

Στο προβολικό επίπεδο

Δυϊκότητα των πράξεων σύνδεσης και συνάντησης σε δισδιάστατο χώρο.

Η "ένωση" δύο σημείων στο προβολικό επίπεδο είναι η πράξη της σύνδεσης δύο σημείων με μια ευθεία γραμμή. Η εξίσωση της ευθείας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το διασταυρούμενο γινόμενο:

$𝐥\propto 𝐚\times 𝐛=\left(\begin{array}{c}{a}_1{b}_2-b_1{a}_2\\ b_0{a}_2-a_0{b}_2\\ a_0{b}_1-a_1{b}_0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{l}_0\\ l_1\\ l_2\end{array}\right).$

Αντίστροφα, μπορεί κανείς να εκφράσει τη "συνάντηση" ή την τομή δύο ευθειών με το διασταυρούμενο γινόμενο:

$𝐱\propto 𝐥\times 𝐦$

Η σχέση με τους πίνακες Πλύκερ γίνεται εμφανής, αν γράψουμε το διασταυρούμενο γινόμενο ως γινόμενο πίνακα-διανύσματος με έναν αντισυμμετρικό πίνακα:

$[𝐥{]}_{\times }=𝐚{𝐛}^{\mathrm{\top }}-𝐛{𝐚}^{\mathrm{\top }}=\left(\begin{array}{ccc}0& l_2& -l_1\\ -l_2& 0& l_0\\ l_1& -l_0& 0\end{array}\right)$

και κατ' αναλογία $[𝐱{]}_{\times }=𝐥{𝐦}^{\mathrm{\top }}-𝐦{𝐥}^{\mathrm{\top }}$

Γεωμετρική ερμηνεία

Έστω $𝐝={(-L_{03},-L_{13},-L_{23})}^{\mathrm{\top }}$ and $𝐦={(L_{12},-L_{02},L_{01})}^{\mathrm{\top }}$, then we can write

$[𝐋{]}_{\times }=\left(\begin{array}{cc}[𝐦{]}_{\times }& 𝐝\\ -𝐝& 0\end{array}\right)$

και

$[\widetilde{𝐋}{]}_{\times }=\left(\begin{array}{cc}[-𝐝{]}_{\times }& 𝐦\\ -𝐦& 0\end{array}\right),$

όπου $𝐝$ είναι η μετατόπιση και $𝐦$ είναι η ροπή της ευθείας, συγκρίνετε τη γεωμετρική διαίσθηση των συντεταγμένων Πλύκερ.

Δημοσιεύσεις

• Πρότυπο:Cite book
• Πρότυπο:Cite book
  From original Stanford University 1988 Ph.D. dissertation, Primitives for Computational Geometry, available as [1] Πρότυπο:Webarchive.
• Πρότυπο:Cite journal

Δείτε επίσης

• Field Arithmetic
• Αλγεβρική ποικιλία
• Τοπολογία
• Πίνακας (μαθηματικά)
• Ανάστροφος πίνακας

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• English - Greek Dictionary of Pure and Applied Mathematics Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
• Αγγλοελληνικό Λεξικό Μαθηματικής Ορολογίας - Πανεπιστήμιο Κύπρου
• A. Bondal, D. Orlov, Semi-orthogonal decomposition for algebraic varieties_, PreprintMPI/95–15, alg-geom/9506006
• Computer Vision
• Heegner Modules and Elliptic Curves
• Modular Forms and String Duality
• Advances in Visual Computing: 4th International Symposium, ISVC 2008, Las ...
• Uncertain Projective Geometry: Statistical Reasoning for Polyhedral Object ...