¿Cuál es el significado del plano proyectivo en matemáticas?

La respuesta de Anurag Bishnoi explica por qué los planos proyectivos finitos son importantes, por lo que restringiré mi respuesta al plano proyectivo real.

La razón principal es que simplifican la geometría plana de muchas maneras.

Secciones cónicas

Tome las secciones cónicas, por ejemplo. Hay elipses, hipérbolas y parábolas. Originalmente fueron definidos por los geómetras griegos antiguos como las intersecciones de varios planos y conos circulares. Desde Apollonius, los geómetras han usado conos dobles en lugar de simples.

Kepler y otros, sin duda, notaron que la parábola era un límite tanto de hipérbolas como de elipses. Usó lo que podemos llamar un principio de continuidad . (Esto fue un par de siglos antes de que se hicieran las definiciones formales de límites y continuidad).

Cuando cortas un cono con un plano paralelo a una de las líneas rectas en el cono, obtienes una parábola.
Imágenes de las secciones cónicas de Lane Vosbury
en Seminole State College

Pero si cortas un cono con un plano que lo atraviesa, obtendrás una elipse.
A medida que inclina el plano hacia arriba para que se vuelva paralelo a una línea en el cono, la elipse se alarga y se convierte en la parábola.

Si cortas el doble cono con un plano que atraviesa ambas partes del cono, obtendrás una hipérbola.
Nuevamente, a medida que inclina el avión hacia atrás para que se vuelva paralelo a una línea en el cono, la elipse se alarga y se convierte en la parábola.

Alternativamente, puede dejar el avión solo e inclinar el cono en su lugar. Cuando haces eso, es más fácil ver cómo una elipse se transforma en una parábola y luego en una hipérbola.

Girard Desargues (1591–1661) tuvo la idea de que todas eran la misma curva si tomabas el avión para incluir puntos en el infinito. A medida que transforma una elipse en una parábola, hay un punto que estaba en la elipse pero ya no en la parábola. Ese punto se traslada a un punto en el infinito. Las parábolas tienen un punto en el infinito.

La gran revelación de Desargues fue que no solo hay un punto en el infinito, sino una línea completa de puntos en el infinito, un punto para cada dirección. Al estudiar la hipérbola, pudo ver que tenía dos puntos en el infinito, aunque parece que las dos curvas que componen la hipérbola tienen cuatro extremos. Las dos curvas que se acercan a una de las asíntotas de la hipérbola se acercan al mismo punto en el infinito. De hecho, la línea recta que es esa asíntota se acerca al mismo punto en ambos extremos.

Entonces, agregue una línea de puntos en el infinito al plano euclidiano estándar y afirme que a medida que avanza en una dirección, o en la dirección diametralmente opuesta, se acerca a uno de esos puntos. Lo que resulta es el plano proyectivo real.

En el plano proyectivo real, todas las secciones cónicas son iguales. Lo que quiero decir con eso es análogo a la afirmación de que en el plano euclidiano, todas las líneas son iguales; Puede realizar un movimiento rígido del plano euclídeo para mover cualquier línea a cualquier otra línea. En el plano proyectivo, todas las secciones cónicas son iguales; puede realizar un movimiento proyectivo del plano proyectivo para mover cualquier sección cónica a cualquier otra sección cónica.

Esa es una forma en que los planos proyectivos simplifican la geometría.

Dualidad

En el plano euclidiano, cualquiera de las dos líneas se encuentran o son paralelas. En el plano proyectivo, dos líneas cualesquiera se encuentran exactamente en un punto. Si los dos fueran paralelos en el plano euclidiano, se encontrarían en un punto de la línea en el infinito para esa dirección de líneas paralelas.

Esto hace las cosas mucho más simples en la geometría del plano proyectivo. No solo dos puntos determinan una línea única, sino que dos líneas determinan un punto único. De hecho, cada teorema para la geometría del plano proyectivo tiene un teorema dual que se encuentra intercambiando líneas por puntos.

Un ejemplo, está el teorema de Pascal. Es fácil establecer en geometría proyectiva.
De la wiki sobre el teorema de Pascal

Dice que si tiene una sección cónica ABCDEF (dibujada como un círculo, ya que todas las secciones cónicas son proyectivamente iguales a los círculos) y toma las tres intersecciones de los lados opuestos, lo que significa que AB intersecta a DE, BC intersecta a EF y CD intersecta a FA ( esos son los tres puntos M, P y N en el digram), esas tres intersecciones son colineales.

Es más difícil establecer el teorema de Pascal en geometría euclidiana, ya que se deben hacer casos especiales siempre que haya un par de líneas paralelas.

El teorema dual del teorema de Pascal es el teorema de Brianchon.
De las secciones cónicas de Xah Lee

El teorema de Brianchon dice que si tomas seis líneas tangentes a una sección cónica en ABCDEF, entonces las líneas que unen las tres intersecciones opuestas son coincidentes.

Geometría algebraica

La geometría algebraica es el estudio de curvas algebraicas, superficies y variedades de dimensiones superiores. Una curva algebraica en el plano xy viene dada por una ecuación polinómica en dos variables x e y. Acabamos de ver cómo las curvas cuadráticas se simplifican si tomas el plano proyectivo en lugar del plano euclidiano. Las curvas de mayor grado también son más fáciles de estudiar usando el plano proyectivo.

Para tratar el plano proyectivo algebraicamente, agrega una tercera variable z y homogeniza todas las ecuaciones. Una ecuación polinómica es homogénea si todos sus términos tienen el mismo grado. Por ejemplo, [matemáticas] 2x ^ 3 + 4xy + y = 10 [/ matemáticas] es una ecuación cúbica que no es homogénea; tiene términos de grado 3, 2, 1 y 0. Si multiplica esos términos por potencias de z para llevarlos a todos al grado 3, lo ha hecho homogéneo. Este se convierte en [matemáticas] 2x ^ 3 + 4xyz + yz ^ 2 = 10z ^ 3. [/ Matemáticas]

El plano proyectivo utiliza coordenadas homogéneas. Cada punto en el plano se nombra por un triple de números, como [4,2,18], pero diferentes triples en la misma proporción nombran el mismo punto. Así [6,3,27] nombra el mismo punto que [4,2,18].

Una ecuación homogénea en x, y y z describe una curva en la ecuación proyectiva ya que si un triple satisface la ecuación, cualquier otro triple proporcional a ella también lo hará.

Vea lo que sucede cuando comenzamos con la ecuación de esta hipérbola: [matemática] x ^ 2-y ^ 2 = 1. [/ matemática] Haga que sea homogéneo obtener [matemática] x ^ 2-y ^ 2 = z ^ 2. [/ math] Algunas soluciones para ello son [5,4,3], que nombra un punto, y [13,12, 5]. Podemos recuperar la hipérbola original en el plano euclidiano si establecemos z en 1.

Pero si toma [matemáticas] x ^ 2-y ^ 2 = z ^ 2 [/ matemáticas] y establece x en 1, obtenemos la ecuación [matemáticas] y ^ 2 + z ^ 2 = 1 [/ matemáticas] que es La ecuación de un círculo.

De hecho, la ecuación [matemáticas] x ^ 2-y ^ 2 = z ^ 2 [/ matemáticas] es la ecuación de un cono en el espacio euclidiano, el mismo cono que estudiaron los antiguos geómetras griegos. Establecer varias combinaciones lineales no triviales de x, y y z en 0 corresponde a la intersección de ese cono con varios planos.

Algunas razones por las cuales los planos proyectivos finitos son importantes dentro de las matemáticas:

  1. Están relacionados con el sistema de cuadrados latinos mutuamente ortogonales. Más específicamente, el número máximo de cuadrados latinos ortogonales por pares de orden n es n-1. El límite se alcanza cuando n es una potencia primordial, pero ¿es esa la única n para la que esto se cumple? Ese es un viejo e importante problema abierto en combinatoria.
  2. Están relacionados con el sistema Steiner. Lea esta publicación de Cameron: Steiner systems.
  3. Las soluciones a algunos problemas extremos importantes en la combinatoria y la teoría de gráficos, como el problema de Turan de gráficos libres C_4 y límites inferiores constructivos en números de Ramsey fuera de la diagonal, se obtienen de planos proyectivos finitos: en gráficos que no contienen un gráfico de Thomsen, Gráficos de proyectivo Planos, gráficos sin cuadriláteros: antiguos, gráficos sin cuadriláteros: nuevos. Algunos límites constructivos sobre los números de Ramsey, gráficos de polaridad revisitados.
  4. Los planos proyectivos se utilizan en la teoría del diseño, la teoría de la codificación y la criptografía: códigos de corrección de errores y planos proyectivos finitos, códigos de verificación de paridad de baja densidad basados ​​en geometrías finitas: un redescubrimiento y nuevos resultados, códigos lineales de espacios proyectivos finitos, aplicaciones de geometría finita en teoría de codificación y criptografía, Aviones, Biplanos y sus Códigos.
  5. Ciertas subestructuras de planos proyectivos llamados óvalos e hiperovalos han sido objetos útiles para estudiar algunos grupos y diseños finitos interesantes (entre otras cosas): http://www.win.tue.nl/~hansc/mat …, http: // cage .ugent.be / ~ fdc / intens
  6. Los gráficos de incidencia de planos proyectivos finitos son ejemplos importantes de ciertas clases de gráficos extremos. Ver gráfico de Heawood, gráfico de Moore, jaula (teoría de grafos) – Wikipedia, Balaban 10-Cage | Insight visual, y (k, 6) -grafos.
  7. Algunos resultados combinatorios interesantes como el teorema de la amistad que dice que “si en una sociedad finita dos personas tienen un amigo común único, entonces existe alguien que es amigo de todos los demás”. se puede probar usando la teoría de planos proyectivos. Ver también el teorema de De Bruijn-Erd (geometría de incidencia).
  8. La noción de Semifield está interrelacionada con la de los planos proyectivos. Vea la tesis doctoral de Donald Knuth sobre este tema. También puede consultar algunas encuestas aquí y aquí.
  9. El plano de Fano define la multiplicación en los octoniones.
  10. El plano Fano también es la hipergrafía más pequeña de 3 uniformes (con respecto al número de aristas) que no es de 2 colores.

Otros enlaces útiles:

  • Elementos de geometría finita
  • Geometría de Incidencia por Eric Moorhouse
  • Geometría proyectiva: desde los cimientos hasta las aplicaciones.
  • Geometría finita y aplicaciones combinatorias
  • Una introducción a los planos proyectivos finitos
  • La búsqueda de un plano proyectivo finito de orden 10

Estoy un poco sorprendido de que nadie haya mencionado otra respuesta simple: cuando clasifica superficies, el plano proyectivo es una de ellas. Es solo uno de los componentes básicos de la geometría. Lo bueno es que esta superficie tiene todo tipo de propiedades agradables mencionadas en otras respuestas. La otra respuesta es que es el objeto matemático más simple que no es orientable. Muestra una propiedad muy básica de los múltiples (o la viola si cree que la orientación es normal).

Gracias por A2A. Por mi parte, el plano proyectivo es demasiado simple y básico para realizar un trabajo significativo. Dicho esto, trabajo todos los días con estructuras proyectivas.

Sin embargo, hay una excepción, el plano proyectivo octoniónico. Vea el avión de Cayley, Octonions, ¿Cuál es el avión proyectivo de Cayley?