1 複比は直線上の座標の取り方によらない
定義では直線に座標を入れましたが、複比の値はその座標の選び方に依存しません。この事実は、以下の証明でℓとℓ′にそれぞれ都合のよい原点を置くために用います。
証明. 新しい座標をa′=ua+v、b′=ub+v、c′=uc+v、d′=ud+vとする。任意の二点について
c′−a′=u(c−a),c′−b′=u(c−b),d′−b′=u(d−b),d′−a′=u(d−a)である。複比の分子と分母には、この形の差が二つずつ現れるので、
u(c−b)⋅u(d−a)u(c−a)⋅u(d−b)=(c−b)(d−a)(c−a)(d−b)となる。よって原点の位置と単位の長さ、および向きの選び方によらない。▨
2 証明の方針
出発点。二直線ℓ,ℓ′が交わる場合と平行な場合とで、証明の道具が変わります。平行な場合は、射影がOを中心とする相似の写像になるので、すべての有向線分が同じ倍率で変わり、複比の分子と分母で倍率が消えます。以下では、交わる場合を主に扱います。
中間目標。ℓとℓ′の交点をPとします。Pを原点とする座標をℓとℓ′のそれぞれに入れ、ℓ上の点Xの座標xと、その像X′の座標x′を結ぶ一つの関係式を作ります。この関係式が、四点すべてに同じ形で成り立つことが中間目標です。
本質的な一手。関係式は、三角形△PRR′にメネラウスの定理を用いて得ます。ここでRはℓ上の基準となる点、R′はその像です。この三角形の三辺を含む直線は、ℓ、ℓ′、そしてOを通る直線RR′の三本です。XとX′を結ぶ直線はOを通るので、この三本すべてと交わり、三角形を横切る直線になります。点Xを取り替えるたびにメネラウスの定理を用いるので、定理は四点に対して繰り返し使われます。
片づけておくこと。四点のうちの一つがPに一致する場合には、その点を通る直線OPがℓ′とPで交わるので、像もPです。この場合は三角形の頂点と重なるためメネラウスの定理を使うことができないので、関係式が成り立つことを別に確かめます。
3 一点からの射影が与える関係式
ℓとℓ′が交わる場合を扱います。以下、Pをℓとℓ′の交点とします。
ℓ上の点Xに対して、直線OXがℓ′と交わるとき、その交点をX′と書き、X′をXの像と呼びます。まず、像を取る操作が点を区別することを確かめます。
定理 3.1 (像は点を区別する).Oをℓ上にもℓ′上にもない点とする。ℓ上の相異なる二点が像をもつならば、二つの像も相異なる。また、ℓ上の点Xの像がPであることと、X=Pであることは同値である。
証明.ℓ上の相異なる二点X,Yの像が一致したとする。その共通の像をZとおくと、Zは直線OX上にも直線OY上にもある。X=YでOがℓ上にないので、OXとOYは相異なる二直線であり、共有点はOだけである。したがってZ=Oとなるが、Zはℓ′上にあり、Oはℓ′上にないので矛盾する。
次に、X=Pならば直線OPとℓ′の交点はPであり(Pはℓ′上にある)、像はPである。逆にXの像がPでX=Pとすると、直線OXはXとPというℓ上の相異なる二点を含むのでℓに一致し、Oがℓ上にあることになって仮定に反する。▨
次が、証明の中心になる関係式です。
証明.R=Pからr=0であり、定理 3.1によりR′=Pなのでr′=0である。Oはℓ上にないのでO=Rであり、RO=0、したがってk=0である。
三点P,R,R′は三角形をなす。実際、PとRはℓ上の相異なる二点であり、R′はℓ′上にあってPと異なるので、R′はℓ上にない。よって三点は一直線上にない。この三角形の三辺を含む直線は、辺PRがℓ、辺PR′がℓ′、辺RR′がOを通る直線である。
第1段(X=P,Rの場合)。Xの像をX′とすると、直線XX′はOを通る。この直線は、辺PRを含むℓとXで、辺RR′とOで、辺PR′を含むℓ′とX′で交わる。三つの交点はいずれも三角形の頂点と異なる。X=P,Rであり、Oはℓ上にもℓ′上にもないのでO=R,R′であり、定理 3.1によりX′=P,R′である。したがって△PRR′にメネラウスの定理(§A5.9 定理 6.2)を用いて
OR′ROX′PR′X′XRPX=−1を得る。座標で書くとPX/XR=x/(r−x)であり、R′X′/X′P=(x′−r′)/(−x′)である。X=Pからx=0、X′=Pからx′=0なので、これらを代入して
k⋅x′r′−x′⋅r−xx=−1となる。両辺にx′(r−x)/xを掛けると(x=0であり、X=Rからr−x=0)
k(r′−x′)=−x(r−x)x′,すなわちx′r′=1−kxr−x=kx(k+1)x−rを得る。左辺は0でないので(k+1)x−r=0であり、逆数をとって整理するとx′=kr′x/((k+1)x−r)となる。
第2段(X=Pの場合)。定理 3.1により像はPであるからx=x′=0である。このとき(k+1)⋅0−r=−r=0であり、公式の右辺も0になるので、関係式は成り立つ。
第3段(X=Rの場合)。x=r、x′=r′である。(k+1)r−r=kr=0であり、公式の右辺はkr′r/(kr)=r′となるので、関係式は成り立つ。▨
この関係式は、xの一次式をxの一次式で割った形をしています。長さの比が保たれるのであればx′はxの一次式になるはずですが、分母にxが現れるので、そうはなりません。次の節で、この分母が四点の複比では消えることを示します。
4 主定理の証明
証明 (複比の射影不変性の証明). まず、像が相異なることを確かめる。A,B,C,Dは相異なり、いずれも像をもつので、定理 3.1によりA′,B′,C′,D′も相異なる。したがって右辺の複比も定まる。
第1の場合(ℓとℓ′が交わる場合)。交点をPとする。四点は相異なるので、Pと一致するものは多くとも一つである。そこで四点のうちPと異なるものを一つ選び、それを定理 3.2のRとして用いる。ℓとℓ′のそれぞれにPを原点とする座標を入れ、A,B,C,Dの座標をa,b,c,d、その像の座標をa′,b′,c′,d′とする。
定理 3.2により、これらの座標は
x′=(k+1)x−rkr′xを満たす。x,yをℓ上の像をもつ二点の座標とし、D(x)=(k+1)x−rとおくと、D(x)=0、D(y)=0であり
x′−y′=kr′(D(x)x−D(y)y)=kr′⋅D(x)D(y)xD(y)−yD(x)=kr′⋅D(x)D(y)x{(k+1)y−r}−y{(k+1)x−r}=D(x)D(y)−krr′(x−y)となる。μ=−krr′とおくとμ=0であり、任意の二点について
x′−y′=D(x)D(y)μ(x−y)が成り立つ。この式を複比の四つの差へ適用すると
(A′,B′;C′,D′)=(c′−b′)(d′−a′)(c′−a′)(d′−b′)=D(c)D(b)μ(c−b)⋅D(d)D(a)μ(d−a)D(c)D(a)μ(c−a)⋅D(d)D(b)μ(d−b)となる。分子と分母の両方にμ2とD(a)D(b)D(c)D(d)がちょうど一度ずつ現れるので、これらはすべて約分で消え、
(A′,B′;C′,D′)=(c−b)(d−a)(c−a)(d−b)=(A,B;C,D)を得る。ここで用いた座標はPを原点とする特別なものであるが、複比の値は座標の取り方によらない(定理 1.1)ので、この等式は座標の選び方に依存しない。
第2の場合(ℓとℓ′が平行な場合)。ℓ上の点Xに対して、直線OXはℓと交わるのでℓと平行でなく、したがってℓ′とも平行でない。よってℓ上のすべての点が像をもつ。
ℓ上に基準の点X0を一つ固定し、その像をX0′とする。ℓ上のX0と異なる点Xとその像X′をとると、X0Xはℓに含まれ、X0′X′はℓ′に含まれるので、この二直線は平行である。平行線が作る角として∠OX0X=∠OX0′X′が成り立ち、∠X0OXと∠X0′OX′は、同じ角であるか対頂角であるかのいずれかなので等しい。よって二組の角がそれぞれ等しく、相似条件(§A5.1 定理 3.1)により△OX0X∼△OX0′X′である。
対応する辺の比をとると
OXOX′=OX0OX0′=X0XX0′X′となる。中央の値はXに依存しないので、これをtとおくとt>0であり、ℓ上のどの二点X,Yについても、同じ議論をX0=Xとして行うことによってX′Y′=t⋅XYが成り立つ。
長さがすべてt倍になるので、点の並ぶ順序も保たれる。実際、Yが線分XZの内部にあればXY+YZ=XZであり、両辺をt倍してX′Y′+Y′Z′=X′Z′となるので、Y′は線分X′Z′の内部にある。したがってℓ′の向きを適切に選べば、ℓ上の任意の二点について
X′Y′=tXYが成り立つ。ℓとℓ′にこの向きの座標を入れると、四点の座標の差はすべてt倍になる。複比の分子と分母には差が二つずつ現れるので、t2が約分で消え、複比は変わらない。▨
長さの比が変わることは、次の例で確かめることができます。
例 4.1 (長さの比は変わり、複比は変わらない). 座標平面でℓをx軸、ℓ′をy軸、Oを点(1,1)とする。Oはどちらの直線上にもない。ℓ上の点(x,0)(ただしx=1)に対して、直線O(x,0)とy軸の交点のy座標はx/(x−1)である。
ℓ上にA(−1,0)、B(0,0)、C(2,0)、D(3,0)をとると、像のy座標はそれぞれ21、0、2、23である。x座標とy座標をそれぞれℓとℓ′の座標として用いると
(A,B;C,D)=(2−0)(3+1)(2+1)(3−0)=89,(A′,B′;C′,D′)=(2−0)(23−21)(2−21)(23−0)=89となって一致する。一方、三点だけから作る有向線分比は
BCAB=2−00−(−1)=21,B′C′A′B′=2−00−21=−41であり、一致しない。この配置ではBが二直線の交点に一致しており、その像はB自身である。
5 点の順序を変えたとき
複比の記号は四点の名前を並べた順序を含みます。λ=(A,B;C,D)とおくと、並べ替えて得られる値は次の六つです。
順序(A,B;C,D)(A,B;D,C)(A,C;B,D)(A,C;D,B)(A,D;B,C)(A,D;C,B)値λ1/λ1−λ1/(1−λ)(λ−1)/λλ/(λ−1)
定理 5.1 (複比の順序交換). 相異なる四点に対して、複比の四つの引数を任意に並べ替えて得られる値は、上の表の六つの値のいずれかである。とくに、記号の第1成分と第2成分を交換しても、第3成分と第4成分を交換しても値は1/λになり、第2成分と第3成分を交換すると値は1−λになる。
証明. 座標をa,b,c,dとし、λ=(c−a)(d−b)/{(c−b)(d−a)}とする。
第3成分と第4成分の交換では、cとdを入れ替えるので
(A,B;D,C)=(d−b)(c−a)(d−a)(c−b)=λ1となる。第1成分と第2成分の交換では、aとbを入れ替えるので、同じく(B,A;C,D)=1/λである。
第2成分と第3成分の交換では、bとcを入れ替えるので
(A,C;B,D)=(b−c)(d−a)(b−a)(d−c)=(c−b)(d−a)(a−b)(d−c)である。一方、この記事の冒頭で確かめた恒等式(c−a)(d−b)−(c−b)(d−a)=(a−b)(c−d)の両辺に−1を掛けた形により
1−λ=(c−b)(d−a)(c−b)(d−a)−(c−a)(d−b)=(c−b)(d−a)(a−b)(d−c)であるから、(A,C;B,D)=1−λである。
四つの成分の任意の並べ替えは、隣り合う成分の交換を繰り返して得られる。いま示したとおり、隣り合う成分の交換はλ↦1/λまたはλ↦1−λのいずれかを起こす。この二つの操作を繰り返してλから得られる値は
λ,λ1,1−λ,1−λ1,λλ−1,λ−1λの六つであり、この六つの集合は二つの操作のどちらでも自分自身へ移る。実際、λ↦1/λは第1と第2、第3と第4、第5と第6を入れ替え、λ↦1−λは第1と第3、第2と第5、第4と第6を入れ替える。よって並べ替えて得られる値は表の六つに尽きる。▨
同じ四点でも、順序を変えれば値は変わります。例えばλ=4/3のとき(A,C;B,D)=−1/3です。問題文の複比の順序をそのまま写し、途中で点を並べ替えたときは、表のどの行を使ったのかを記録してください。
6 別の見方:同次座標と行列による証明
上の証明は、四点がすべて有限の位置にあり、しかも四本の直線OXがいずれもℓ′と交わることを仮定しています。この仮定を外すには、直線に「無限に遠い点」を一つ加えて、ℓ′と平行になる場合も一つの点への対応として扱う必要があります。ここでは、そのための道具として同次座標と行列を導入し、複比の不変性をもう一度、今度は場合分けなしに証明します。この節の内容は主証明の代わりではなく、主証明の後に置く別の見方です。
定義 6.1 (実射影直線).R2の0でないベクトルを、0でない実数倍の違いだけ同一視して得られる集合
P1(R)={[x:y]∣(x,y)=(0,0), [x:y]=[λx:λy] (λ=0)}を実射影直線という。y=0の点[x:y]を、座標x/yをもつ直線上の点と同一視し、[1:0]を無限遠点と呼んで∞と書く。二点P=[xP:yP]、Q=[xQ:yQ]に対して
[P,Q]:=xPyQ−yPxQと書く。この値は代表ベクトルの選び方によって定数倍だけ変わる。
定義 6.2 (実射影直線上の複比). 実射影直線上の相異なる四点P,Q,R,Sに対して
(P,Q;R,S):=[R,Q][S,P][R,P][S,Q]と定める。四点が相異なるとき分母は0でないので、この値は定まる。また、分子と分母には各点の代表ベクトルがちょうど一度ずつ現れるので、値は代表ベクトルの選び方によらない。
代表ベクトルを[x:1]と選ぶと[P,Q]=xP−xQです。したがって四点が有限の座標a,b,c,dをもつときは
(A,B;C,D)=[C,B][D,A][C,A][D,B]=(c−b)(d−a)(c−a)(d−b)
となり、定義 1と同じ値になります。無限遠点を含む場合は、無限大を代入するのではなく、この行列式の形の定義をそのまま使います。例えば他の三点が有限の座標a,b,cをもつときは、∞=[1:0]を代入して
(A,B;C,∞)=c−bc−a
が得られます。
主証明で得た関係式x′=kr′x/{(k+1)x−r}は、まさにこの形をしています。対応する行列は
M=(kr′k+10−r),detM=−kr′r=0
です。つまり、一点からの射影は、二直線にPを原点とする座標を入れると、可逆な2×2行列が定める射影変換として表されます。次の定理は、この形の写像が複比を保つことを、無限遠点を含めて一度に示します。
定理 6.4 (複比の射影不変性(行列による別証明)). 相異なる四点P,Q,R,S∈P1(R)と可逆な実2×2行列Mに対して
(TM(P),TM(Q);TM(R),TM(S))=(P,Q;R,S)が成り立つ。有限の点が無限遠点へ移る場合も、この等式に含まれる。
証明. 各点の0でない代表ベクトルをp,q,r,sとする。Mは可逆なので、Mp,Mq,Mr,Msはいずれも0でなく、相異なる四点を表す。実際、[Mp]=[Mq]ならMpとMqが比例し、M−1を掛けてpとqが比例するので[p]=[q]となる。
二つの列ベクトルを並べた2×2行列の行列式について、積の行列式の性質から
[Mr,Mp]=det(MrMp)=detM⋅det(rp)=detM⋅[R,P]が成り立つ。同様に[Ms,Mq]=detM⋅[S,Q]、[Mr,Mq]=detM⋅[R,Q]、[Ms,Mp]=detM⋅[S,P]である。したがって
(TM(P),TM(Q);TM(R),TM(S))=detM⋅[R,Q]⋅detM⋅[S,P]detM⋅[R,P]⋅detM⋅[S,Q]=[R,Q][S,P][R,P][S,Q]となり、右辺は(P,Q;R,S)である。この計算は有限の座標を一度も仮定していないので、四点や像のどれかが∞=[1:0]である場合もそのまま含む。▨
この別の見方によって、主定理では除いていた配置、すなわち直線OXがℓ′と平行になる配置も扱うことができます。その配置ではXの像をℓ′の無限遠点と定めればよく、上の等式がそのまま成り立ちます。
7 退化する配置
複比と射影不変性は、次の配置では成り立たないか、または定義されません。どの配置が除かれているかを確かめてから使ってください。