13高等几何_精品_课件

高等几何多媒体课件教师授课助手学生自修向导——南京师范大学周兴和(国家精品课程主持人江苏省教学名师)使用说明1.请使用MS-Office2003及其以上版本.2.课件中的图形分别是向后和返回链接.3.如果您是一位学生,希望您——利用本课件帮助您预习、自学、提出问题,带着问题去听课；帮助您避免在课堂上被动地抄笔记,从而可以更主动地聆听老师授课.4.如果您是一位教师,请恕作者班门弄斧,权当我在抛砖引玉.希望您——批评本课件,或利用本课件为素材,创作您自己的课件.(作者制作本课件使用的主要软件为：MS-Office,MS-Visio)5.恳请读者和老师们批评指正！作者感谢您使用本教材及其课件,期待着您的宝贵意见！高等几何•主讲教师：周兴和(南京师大数学与计算机科学学院教授)(江苏省教学名师)•教材：周兴和,《高等几何》,科学出版社(江苏省精品教材,“十一五”国家规划教材)•参考书：见教材中所列：“参考书目”(国家精品课程)课程概论一、高等几何的内容高等几何数学类专业主干基础课课程之一前三高数学分析高等代数高等几何后三高实变函数近世代数点集拓扑高等几何射影几何几何基础……本课程主要介绍平面射影几何知识(教材前四章)综合大学：空间解几＋仿射几何、射影几何,一个学期课程概论一、高等几何的内容什么是射影几何？直观描述欧氏几何仿射几何射影几何十九世纪名言一切几何学都是射影几何鸟瞰下列几何学欧氏几何(初等几何)搬动正交变换对图形作有限次的平移、旋转、轴反射欧氏几何研究图形的正交变换不变性的科学(统称不变性，如距离、角度、面积、体积等)研究图形在“搬动”之下保持不变的性质和数量仿射几何平行射影仿射变换仿射几何研究图形的仿射变换不变性的科学透视仿射变换有限次平行射影的结果仿射不变性比如——平行性、两平行线段的比等等射影几何中心射影射影变换射影几何研究图形的射影变换不变性的科学透视变换有限次中心射影的结果射影不变性比如——几条直线共点、几个点共线等等射影变换将彻底改变我们原有的几何空间观念！课程概论一、高等几何的内容二、高等几何的方法综合法给定公理系统(一套相互独立、无矛盾、完备的命题系统)，演绎出全部内容解析法形、数结合，利用代数、分析的方法研究问题本课程以解析法为主，兼用综合法课程概论一、高等几何的内容二、高等几何的与方法三、开课目的•学习射影几何，拓展几何空间概念，引入几何变换知识，接受变换群思想•训练理性思维、抽象思维、逻辑推理能力，增强数学审美意识，提高数学修养•新颖性，趣味性，技巧性，反馈于初等几何和其他学科，提高观点，加深理解，举一反三课程概论四、计划及注意点计划：周学时3-5,一个学期,第1～第4章;(第5章：自学阅读材料)本课程代数角度几何角度三维线性空间的商空间上的几何学亏格为零不可定向的闭曲面上的几何学其他课程无可替代的数学思想与方法一、高等几何的内容二、高等几何的与方法三、开课目的真正的大学课程教学模式课程概论四、计划及注意点注意2：把好入门关,牢固掌握基本概念,反复思考,认真体会线性代数+“齐次性”注意1：必须充分预习,学会主动听课,主动学习•课前：预习将要讲到的内容,记录体会,提出问题计划：周学时3-5,一个学期,第1～第4章;(第5章：自学阅读材料)•课中：带着问题听课,适当做笔记•课后：再次读书,整理笔记;做题、反思、及时总结;不懂即问大力提倡：独立思考+交流讨论一、对应与变换1.集合之间的关系定义1.1集合A,B的笛卡儿积:§1.1引论}.,|),{(BbAabaBABA全体有序偶(配对)(a,b)的集合.特别地,AA=A2.定义1.2集合A到B的一个关系:.BAR为集合AB的一个子集.理解集合的途径之一——Venn图一、对应与变换1.集合之间的关系定义1.2'(通俗的定义)设A,B为两个集合,f是一种将A的元素与B的元素配对的法则.则称f为集合A到B的一个关系,记作.:BAf设在f下aA配对为bB.则称b为a在f下的一个像;a为b在f下的一个原像,或者说a是b在f的逆关系f1:BA下的像.§1.1引论一、对应与变换2.关系的乘积(复合)定义1.3设有关系f:AB和g:BC.则由此可确定一个A到C的关系h,称h为f与g的乘积.记作g◦f,即:.hgfAC注：关系的乘法满足结合律,但是一般不满足交换律.§1.1引论一、对应与变换3.等价关系定义1.4设f为集合A到自身的一个关系.如果(1)若aA,都有(a,a)f,则称f为自反的,或称f具有反身性.(2)若(a,b)f,就必有(b,a)f,则称f为对称的,或称f具有对称性.(3)若(a,b)f且(b,c)f,就必有(a,c)f,则称f为传递的,或称f具有传递性.若f同时满足上述3条,则称f为A上的一个等价关系.A上的一个等价关系必将A的元素分成等价类.§1.1引论一、对应与变换4.集合之间的对应(函数、映射)定义1.5设f:AB为一个关系.如果对于集合A中的每一个元素,f都唯一地指定集合B中的一个元素与之配对,则称f为从集合A到B的一个对应(或映射,函数).在f下A中的元素a对应于B中的元素b的事实常记为baf:或者().fab§1.1引论一、对应与变换定义1.6设f:AB为一个对应.如果对于集合A中的元素ab,都有f(a)f(b),则称f为单射(injection),也称f为从A到B内的对应.定义1.7设f:AB为一个对应.如果集合B中的每一个元素都是A中某个元素的像,则称f为满射(surjection),也称f为从A到B上的对应.§1.1引论4.集合之间的对应(函数、映射)一、对应与变换定义1.8设f:AB为一个对应.如果f既是单射又是满射,则称f为一个双射(bijection),也称f为一个一一对应.注：在几何学中,我们一般需要的对应都是双射.§1.1引论4.集合之间的对应(函数、映射)一、对应与变换5.变换定义1.9集合A到自身的对应f称为变换,若f是双射,则称f为集合A上的一个一一变换.若集合A上的一个变换将A的每一个元素变为其自身,则称之为集合A上的一个恒同变换,记作i.于是,aA,i(a)=a.§1.1引论定理1.1对于集合A上的一一变换,下列结论成立.(1)两个一一变换的乘积是一个一一变换.(2)恒同变换i是一个一一变换.(3)任意一个一一变换f的逆变换f1存在,f1也是一个一一变换,且ff1=f1f=i.一、对应与变换6.归纳定义1.10设f为定义于集合A上的某种一一变换.若存在aA,满足f(a)=a,则称a为f的一个不变元素.设P为集合A中的元素或子集所带有的某种性质(或数量),若变换f能够保持P不变,则称P为变换f的一个不变性质(或数量).f的不变性质和数量统称为f的不变性.归纳：高等几何将用几何变换的观点讨论问题,主要是研究几何空间中的图形在某种双射(一一变换)下的不变性.类似于代数中对同构的讨论.§1.1引论一、对应与变换二、正交变换解几中的坐标变换平面上的点、图形均不改变其位置,但是随着坐标系的变动而取得不同的坐标,或得到不同的描述,研究其间的关系.改变观点平面上的点变换在平面上点的集合上给定某种双射(一一变换)f,研究点以及由点构成的图形与它们在f下的像之间的关系.坐标系运动而点和图形不动点和图形运动而坐标系不动§1.1引论二、正交变换§1.1引论坐标变换点变换二、正交变换1.正交变换定义1.11保持平面上任意两点间的距离不变的点变换称为平面上的一个正交变换.定理1.2正交变换是双射.设M表示平面上全体正交变换的集合.则有(1),M,有M.(2)恒同变换iM.(3)M,存在1M,满足1=1=i.注：设为平面上的一个正交变换,A,B为平面上两个点,且(A)=A',(B)=B'.则|AB|=|A'B'|.§1.1引论上述性质使得M对于变换的乘法构成一个群,叫做正交变换群.二、正交变换1.正交变换定理1.3正交变换使平面上共线三点变成共线三点;不共线三点变成不共线三点,而且保持两直线的夹角不变.证明设A,B,C为平面上三点,为正交变换,且上述三点在下的像依次为A',B',C'.若A,B,C共线且B在A,C之间,则有|AB|+|BC|=|AC|.由正交变换的定义有.|''||''||''|||||||CACBBAACBCAB即A',B',C'仍然为共线三点且B'在A',C'之间.若A,B,C不共线,则必有|||||||''||''||''||||||||''||''||''|ABBCACABBCACABBCACABBCAC即A',B',C'仍然为不共线三点.§1.1引论二、正交变换1.正交变换定理1.3正交变换使平面上共线三点变成共线三点;不共线三点变成不共线三点,而且保持两直线的夹角不变.证明设A,B,C为平面上三点,为正交变换,且上述三点在下的像依次为A',B',C'.设A,C分别在B两边上且异于B,则A',B'分别在B'的两边上.且|AB|=|A'B'|,|BC|=|B'C'|,|AC|=|A'C'|.即ABCA'B'C',于是,B=B',即正交变换保持两直线的夹角不变.推论1.1(1)正交变换使得一个三角形变为与其全等的三角形.进而,正交变换使得任何封闭图形变为与其全等的封闭图形,使得任何平面图形变为可以与其叠合(合同)的图形.(2)正交变换使得平行直线变为平行直线,矩形变为与之全等的矩形.§1.1引论二、正交变换1.正交变换推论1.2正交变换使平面上的直角坐标系变为直角坐标系.正交变换将平面上的一个直角坐标系O-exey变为另一个直角坐标系O'-e'xe'y,有下述可能右手系→右手系右手系→左手系§1.1引论二、正交变换1.正交变换定理1.4对于平面上的一个取定的直角坐标系,点变换是正交变换具有表达式111213131112212223232122'.(1.1)''xaxayaaaax'xyaxayaaaayy或其中(x,y)与(x',y')为的任一对对应点P,P'的坐标,矩阵11122122aaAaa注1：对于正交变换的矩阵A,显然有A1=AT,且|A|=1.当|A|=1时,将右手系变为右手系,称为第一类正交变换；当|A|=1时,将右手系变为左手系,称为第二类正交变换.§1.1引论注2：正交变换(1.1)在形式上与平面解析几何中的直角坐标变换式完全相同.按相对运动观点,坐标变换也是正交变换.称为的矩阵,满足AAT=ATA=E,为二阶正交矩阵.二、正交变换1.正交变换111213131112212223232122'.(1.1)''xaxayaaaax'xyaxayaaaayy或§1.1引论所以,OP'=O'P'+OO',即(x',y')=xe'x+ye'y+(a13,a23)=x(a11,a21)+y(a12,a22)+(a13,a23)=(a11x+a12y+a13,a21x+a22y+a23).即得(1.1)式.注:还需证明(1.1)保持平面上两点间的距离不变.见习题6.二、正交变换(1).平移变换定义1.12将平面上的每个点都向着同一个方向移动相同的距离的变换称为平面上的一个平移变换,简称平移.定理1.5设在平面上取定了一个笛氏直角坐标系O-exey,并给定一个向量c(a13,a23).则由此可惟一确定平面上的一个平移,其直角坐标表示为13132323''10(1.3)''01xxaaxxyyaayy或其中(x,y)与(x',y')为平面上任一点P与其在下的像点P'的坐标.注：显然,平移是正交变换.2.正交变换特例§1.1引论二、正交变换定义1.13将平面上的每个点都绕着同一