關於線性分數變換(或Mobius變換)的代數和幾何特性

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本文轉帖自: http://cgpad.com/SPAN/articles_show/303

 

這裡給出一些線性分數變換(Linear Fractional Transformations)的結論性描述,以方便對Klein Group的可視化。線性分數變換是黎曼幾何中非常重要的一種變換,它相當於歐氏空間中的線性變換。莫比烏斯曾經對它進行過系統研究並得出了許多非常有用的結論,所以又被叫做莫比烏斯變換(Mobius Transformations)。

1、代數方程
定義變換T: z -> (az + b) / (cz + d)為一個線性分數變換,其中a、b、c、d、z均為複數且ad - bc != 0。對於變換T可以馬上得到以下兩個結論:T(∞)= a / c以及T(-d / c) = ∞。如果把T寫成矩陣形式則為:| a  b ||      || c  d |令 D = ad - bc,叫做上面這個矩陣的determinant。其逆矩陣為:|  d/D   -b/D ||             || -c/D    a/D |它相當於對矩陣的每個數乘上了一個係數 t = 1 / D,如果D為1的話,則t = 1,逆矩陣就只當不存在係數t了。我們從任意的正變換矩陣開始,求出D值,然後用t = 1 / sqrt(D)作為係數乘上該矩陣,這樣得到的新矩陣就有一個D = 1的determinant。也就是說,如果:
    | a  b |T = |      |  (其中, D = 1)    | c  d |
則其逆可以表示為    | d  -b |T = |       | (同樣, D = 1)    | -c  a |
由於有一個D = 1的方程了,所以,另外再給三個方程便可以唯一確定一個Mobius變換。也就是說,如果知道了三個不同點的變換結果,變換T就可以解出來。
當有一系列的變換放在一起並且滿足下面兩個條件的時候,我們可以得到群的概念:a) 如果S和T屬於這個群,則ST也屬於這個群;b) 如果S屬於這個群,則S-1也屬於這個群。
可以得出一個結論,Mobius變換集合是一個群。2、幾何和動力學特性我在開頭就說過,Mobius變換在黎曼幾何中的地位相當於歐氏幾何中的線性變換。所以,很多地方存在相似之處和相通之處。Mobius變換美麗的地方在於它把圓映射到另一個圓,進入的原料是圓或直線,出來的結果也是圓或直線。Mobius變換還是保角變換,也就是說,變換之前的角度在變換後保持不變。或者更進一步,Mobius具有保持方向的特性。再者是Mobius變換的不動點,求解方程T(z) = z便可以得出來,它實際上是一個一員二次方程,通常會有兩個解,不過這兩個解有可能會重合為一個。當D = 1時:z = { a - d ± sqrt[(a + d)^2 + 4] } / 2c把a + d叫做T的trace,並標記為TrT。在歐氏幾何中,線性變換通常有三類:translation、rotation、scaling,而Mobius變換也同樣有對應的三類:parabolic、elliptic、loxodromic。當係數是實數時候的loxodromic變換也被叫做hyperbolic變換。這裡的TrT = a + d就可以看出變換的類別。

 

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