Pascal 定理的严格证明问题


Pascal定理的严格证明
方式。”
      这里是指射影几何中有关圆锥曲线(注:射影几何中称二阶点列)上任意六点连成的六边形(hexagon,六角形)三对对边交的交点在一直线上”的定理。这是17世纪法国数学家Pascal十六岁时提出但可能未被证明或完全证明的一个内容极为丰富的定理,据说当时Pascal把这种六边形或六角形(hexagon)称为神秘六角星(法文hexagramme mystique),这就把六角形(hexagon)六角星(hexagram概念混淆起来了,六角形(hexagon)是一个多边形,而六角星(hexagram不是一个多边形,而是两个多边形(3角形)交叉叠加在一起的图形。当今书上或网上对Pascal定理的证明已有许多,但看来没有一种证明说得上理想与完善。许多不完善的地方也是概念未讲清,或采用非射影几何的方法来证明,如
    
         1.  只就一种圆锥曲线类型进行证明,且大多是以椭圆甚至圆为特例来证明,而不说明圆锥曲线还有抛物线、双曲线等其他类型。要补救这一点或许很容易,但至少应该交待一下;
    2. 圆锥曲线上六个点(如1,2,3,4,5,6六点,或A,B,C,D,E,F六点)有6!=720种排列方式,能组成720/(2*6)=60种不同形状的6边形或6角形(Hexagons,即由六个顶点依次相连构成的回路),见下面图1但定理往往只就其中的一种hexagon进行证明了事,且大多是以下图左上角的、由顺时针排列为123456确定的简单六边形(即各边互不相交的突六边形)或由第5行第一列、由排列136425确定的、边边间共有7个交点的hexagon为特例来证明,而不考虑定理对其他排列方式下的六边形是否也成立;甚至不讲清6个点一共有60个不同形式的六边形,是怎样的60种排列方式,更不谈怎样来产生它们。
Pascal 定理的严格证明问题_第1张图片
图1. 椭圆上6个点可以形成60种不同的6边形(hexagon)。要证明Pascal定理,就要证明它对所有这些6边形都成立。且对6点分布在双曲线、抛物线等情况下也成立。

      3. 不交代各种不同排列的6边形中,点在圆锥曲线上分布疏密也是无关的,上图中的6点是均匀分布在圆锥曲线椭圆上的,但不管均匀或疏密如何,定理均成立,这一点通常也不提。

      4. 没有说明圆锥曲线在射影几何中是两个射影对应的一阶线束对应射线交点的轨迹,或两个射影对应点列对应点连线的包络而通常总是将它作为解析几何的二次曲线对待。

      5. 定理还适用于六边形的6点中有重点(几个相邻的点合在一起)的情况,有了重点,6边形退化为5边形、4边形、3边形等多种形式,一般证明都不考虑它们。

      6. 不知道Pascal定理是射影几何中的定理,射影几何Pascal定理没有任何例外地全都成立,而在欧氏几何中、或用欧氏几何眼光看待射影几何中的图形,如上图左上角的六边形,定理就不成立了,因为三对对边都相互平行,根本没有一个交点。只有在射影几何下,平行直线就是相交于无穷远点。只有在射影几何下,任意两条直线都有一个交点,真像任意两点都可连成一条线一样。这一点至少应该声明一下才对,否则定理就会遇到许多不成立的例外情况。  

      7. 即使在射影几何中,当三组对边每组都是两条平行线时,问题也不那么容易理解,因为此时有三个不同方向的无穷远点,其中任意2个无穷远点,根据2点决定一条直线的原则,可决定一条无穷远直线,这样三个方向不同的无穷远点是在它们2-2之间形成的三条无穷远直线上不在同一条无穷远直线上,因而断定定理这时不成立。要理解这一点,就牵涉到平面射影几何的模型了,实际上,在射影几何的各种模型中,并没有三条无穷远直线,而是同一条无穷远直线!要弄清这一点,就要求我们去研究射影几何的各种解释模型或公理系统。


       我们先来列出一些证明,看通过它们的推理是否能使你相信Pascal定理是适用上面所有情况?

    1.维基的证明:
Pascal 定理的严格证明问题_第2张图片
   

    如图,圆锥曲线是一圆,圆内接六边形ABCDEF的边AB、DE的延长线交于点G,边BC、EF的延长线交于点H,边CD、FA的延长线交于点K。

   延长AB、CD、EF,分别交直线CD、EF、AB于M、N、L三点,构成△LMN。

   直线BC截LM、MN、NL于B、C、H三点,则\frac{LB}{MB}\cdot\frac{MC}{NC}\cdot\frac{NH}{LH}=1…①

   直线DE截LM、MN、NL于G、D、E三点,则\frac{LG}{MG}\cdot\frac{MD}{ND}\cdot\frac{NE}{LE}=1…②

   直线AF截LM、MN、NL于A、K、F三点,则\frac{LA}{MA}\cdot\frac{MK}{NK}\cdot\frac{NF}{LF}=1…③

   连BE,则LA·LB=LF·LE,∴\frac{MA}{MD}\cdot\frac{MB}{MC}=1…④。

   同理有:  \frac{MA}{MD}\cdot\frac{MB}{MC}=1…⑤,\frac{NC}{NF}\cdot\frac{ND}{NE}=1…⑥。

   将①②③④⑤⑥相乘,得\frac{NH}{LH}\cdot\frac{LG}{MG}\cdot\frac{MK}{NK}=1

   ∵点H、G、K在△LMN的边LN、LM、MN的延长线上,∴H、G、K三点共线。【证明完】

【评论】

  1.证明所用圆锥曲线是园;

  2.6点ABCDDF在园上排列方式是依次的顺时针排列

  3.6点ABCDDF在园上排列的疏密是不同的,其目的是为了看到所有3个对边交点

  4.证明方法是数值演算,一种由Papus在公元前3个世纪就开始使用的方法,非射影几何的方法;

  5.只讲一种排列,没有更多的交待,完全看不到Pascal的广泛适用性。

【注】维基上的证明会被不断重新编辑,以上为2014年1月17日见到的证明,现在可能已不同


  2。苏步青先生的证明: 

【评论】

1. 这是射影几何的一种典型证明;

2. 所选图形是椭圆;

3. 点的排列次序是135264,即图1中第36个六角形;

4. 提到了椭圆是对应线束决定的曲线;

5. 未作更多交待,也看不到Pascal的广泛适用性。这样的证明方法在射影几何中比较普遍。

 

3.人教的证明 

人教的证明是在 edu6.teacher.com.cn 网上看到的,其证明方法较少见,如下:

定理  圆内接六边形的三对对边的交点共线

 

 

 

 

 

 




【证明】  设是圆,是圆的内接六边形。是六边形三对对边的交点。

由§2.2节球极平面射影性质2(见下面的【】)知,可取中心射影把圆所在的平面映射到某一平面上,使得变成上的一个圆,直线在此射影下是平面上影消线。

此时有 

从而 

于是 

观察 

                     

于是 

即直线相交于无穷远点

所以六边形的三对对边的交点落在上的无穷远直线上

共线。


【附】球极平面的性质及其预备知识:

§2.2  平面到平面上的中心射影

 

一、中心射影的定义

1.直线到直线的中心射影:

2.平面到平面的中心投影

二、无穷远元素

三、透视对应与中心透视

如图1,在引进无穷远元素之后,通过中心射影,把影消点投影到上无穷远点,把上的无穷远点投影到上影消点。于是中心射影建立了直线之间的一一对应,称这个中心射影为透视对应。

 

 同理,中心射影把平面上的影消线投影到上无穷远直线,同时把上的无穷远直线投影到上影消线。于是中心射影建立了平面到平面间的一一对应,称为平面之间的中心透视。

中心射影如何改变线段的长度

 

定理1  设是平面上的四个点,其中任何三点不共线,是平面上的任何三点不共线的四个点,则存在从的中心(或平行)射影,它把四边形变成与四边形相似的四边形

证明:如图所示 

在平面上做与四边形相似的四边形,使得

在空间中移动,使交于直线

连接,则直线共面

的交点就是所求中心射影的射影中心

(如果平行,则所求中心射影为平行射影)

 定理2  设是平面上任意一个多边形,是它的边上或边的延长线上的点,则下面的乘积在中心射影下保持不变。

证明:设分别是点在以为中心的中心射影下的像,则由(1)式有

将这些等式两端对应乘积得

 

四、球极中心射影

(中心射影也可以用来解决包含圆的有关初等几何问题)

是一球面,是球面上的一点,从球面到它在点处的切平面上的球极平面射影,就是中心在点(点的对径点)的从的中心射影。

在球极平面射影下,上的任一点)的像是直线与平面的交点,而点在平面上没有像。

 

 

 

 

 

 

 球极平面射影的性质

性质1   球极平面射影把球面上的每一个圆变成平面上的一个圆或一条直线,反之,上的圆或直线的原像是上的圆

性质2  设是平面上的一个圆,上的不与圆相交的直线,则存在从平面到某个平面的中心射影。它把变成上的圆,并且把直线变成上的无穷远直线。

证明:如图9所示,经过圆在空间做一个球面,并过作一个与球面某点相切的平面。设是平行于平面并与球面相切于点的平面。则是对径点。

则以为中心的从平面到平面的中心射影,将圆映为平面上圆。将直线映成无穷远直线。

 性质3  设是平面上的一个圆,是圆内部的一点,则存在从平面到某一个平面上的中心射影,它把变成平面上的圆。并且把点变成圆的中心

【评论】

1. 所用圆锥曲线为园;

2. pascal线与园不交;

3. 用到2维的平面投影知识, 而Pascal 定理是2个射影对应一维基本形对应元素生成的图形;

     这个要求射影几何知识不少,但证明中又大量利用度量性质。

4. 再要用到复杂的球极平面投概念,而其关键的性质2(有下划线那一句)的结论明显有误:

     除了特例:圆所在平面垂直于球的直径OA,否则, 圆映射到平面上不可能再是一个圆,而是一个椭圆,甚至一段线。



4.利用Desargues逆定理的证法:

   仅对内接于圆的6边形ABCDEF作证明(见下图)。内接于其余2次曲线可由Dedlane定理影射得到。

Pascal 定理的严格证明问题_第3张图片

设G为对边AB与DE交点,H为对边BC与FG交点,I为对边CD与GH交点。作CHF外接圆交EFKBCJ。

∵∠DEF=DCF(同圆周角),同样DCF=HKF∴∠DEF=HKF,故GEHK(同位边)

同理可得:HJBGBEKJ

∴△GEBHKJ对应边都交于无穷远点;也即这两个三角形3对应边的交点都在无穷远直线上。由此,

根据Desargue定理的逆定理,知GEBHKJ这2三角形对应顶点的连线在一直线上,

GHEKBJ交于一点,此点为I。

GHI共线,命题得证。

评论:

1.要利用Desargues定理和Dedlan定理,不够直接;

2.未能说明和hexagon的顶点排列形式无关。


5.LEHMER的证明(详细见《射影几何入门》连载4)

分几步完成: 
 
1:先证明圆锥曲线是2射影线束对应射线交点的轨迹,不管哪一种圆锥曲线都是
2:说明5点确定一条圆锥曲线,并给出具体的生成过程;这一过程
     a:既不依赖于5点的位置,
     b:也不依赖5点排列次序;
由此可知:
    2a:任何二阶点列可以用同样生成,方法都一样;
    2b:用5点不同排列来生成二阶点列,方法都一样;
3.由此,如果ABCDE五点生成了2阶点列为G,在此2阶点列上改变ABCDE五点的位置A'B'C'D'E',再生成另一   二阶点列为G',则它就是G;
4.如果在2阶点列G上,除5个生成2阶点列G的点ABCDE之外,另有1点F,则证明ABCDEF一定满足某个关系,这就是PASCAL定理陈述的内容。
   4a.根据2a可知,Pascal定理对任意二阶点列成立,
   4b.根据2b可知,对不同排列的6点来生成二阶点列定理成立。

6. Veblen的证明:
   几何大师Veblen的证明和Lehmer的证明基本相同,但叙述要简明而连贯一些。详细见我的博客《Veblen对Pascal定理的证明》,这里不再叙述。

其实要证明一些特殊例子是很容易的。例如要证明下列图形的hexagon的Pascal定理成立,就很容易:
[待续]



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