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第 10 章:向量、顶点角和与等距变换 ​

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10.1 点积、长度、垂直与三个方向不共面 ​

向量 u=(u_1,u_2,u_3) 表示一个位移;把空间点当成向量时,是指从选定原点指向该点的位移。两点 A,B 的距离,是位移 B-A 的长度:

u\cdot v=u_1v_1+u_2v_2+u_3v_3,
\qquad |u|=\sqrt{u\cdot u},
\qquad |B-A|^2=(B-A)\cdot(B-A).

单位向量就是长度为一的向量。两个非零向量的夹角 \theta\in[0,\pi] 由 u\cdot v=|u||v|\cos\theta 确定;夹角为直角等价于点积为零。这些关系来自平面余弦定理:把两向量及其差构成三角形,将 |u-v|^2=|u|^2+|v|^2-2u\cdot v 与余弦定理比较即可。

若 a,b 都是单位向量,由平方长度非负,|a+b|^2=2+2a\cdot b\ge0、|a-b|^2=2-2a\cdot b\ge0,得到 -1\le a\cdot b\le1。取下界等号当且仅当 a=-b;取上界等号当且仅当 a=b。本篇用到的点积界都可由这里得到,不必额外引用柯西不等式。

给定单位向量 v,u 沿它的分量是 (u\cdot v)v,剩余部分 u-(u\cdot v)v 与 v 的点积为零,故垂直于 v。这就解释了下面所用的“垂直分解”。

三个从同一原点出发的向量“线性无关”,指不存在不全为零的系数 r,s,t 使 ru+sv+tw=0。在三维空间,这等价于三条方向不在同一平面。这样的三个向量可以作一套斜坐标:每个向量都能唯一写成它们的线性组合;可用三个一次方程求系数。

一个平面的法向量,是与平面内所有方向都垂直的非零向量。所以 n\cdot x=h 的平面以 n 为法向量。两个平面的夹角可以通过各自法向量的夹角计算;取锐角时,余弦为 |n_1\cdot n_2|/(|n_1||n_2|)。可在垂直于交线的小截面里,将两条直线及其垂线一起旋转 90^\circ,直接看出夹角相同。

保持距离且固定原点的变换确实保持线性组合;第 10.6 节从点积逐项求坐标,不事先假定线性。若只核对某个具体线性候选变换,下一个小引理已经足够。

以后核对对称性的一个小引理。 三个线性无关向量 u_1,u_2,u_3 若要映到 v_1,v_2,v_3,且所有成对点积相同,则“保持组合系数不变”的映射保持一切长度:

\left|\sum_i t_i v_i\right|^2
=\sum_{i,j}t_i t_j(v_i\cdot v_j)
=\sum_{i,j}t_i t_j(u_i\cdot u_j)
=\left|\sum_i t_i u_i\right|^2.

也保持两点之间的距离,因此是一个以原点为固定点的刚性变换。这个证明让“核对一张点积表就得到整体空间对称”有了明确依据。

10.2 空间夹角的三角不等式 ​

设 u,v,w 是单位向量,\alpha=\angle(u,v)、\beta=\angle(v,w)、\gamma=\angle(u,w)。目标是 \gamma\le\alpha+\beta。

方向夹角:直接转,或经中间方向转uvwαβγ图示共面且 v 在较小夹角内:γ = α + β空间不共面时,绕经 v 更长:γ < α + β一般结论由后面的内积计算保证
图 24|先把不等式读成“方向之间的距离”:经中间方向绕行,不会比直接转过去更短。图中画的是取等的共面情形,严格号要由非共面条件推出。

若 \alpha 或 \beta 为零,结论直接成立;若有一个为 \pi,右边至少为 \pi,结论也成立。其余情形,按第 10.1 节的分解,

u=\cos\alpha\,v+\sin\alpha\,a,
\qquad w=\cos\beta\,v+\sin\beta\,b,

其中 a,b 是垂直于 v 的单位向量。例如 u 的剩余部分的平方长度是 1-\cos^2\alpha=\sin^2\alpha,所以除以正数 \sin\alpha 后确是单位向量。

由 a\cdot b\ge-1,

\cos\gamma=u\cdot w
\ge\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta
=\cos(\alpha+\beta).

若 \alpha+\beta\le\pi,使用余弦在 [0,\pi] 上严格递减,得 \gamma\le\alpha+\beta;若和大于 \pi,则直接用 \gamma\le\pi<\alpha+\beta。不能把余弦的单调性擅自延伸到整个实数轴。

若三个方向不共面,a,b 不可能反向,否则 u,v,w 都在 v,a 张成的同一个平面中。因此 a\cdot b>-1,并且两个正弦都为正;结合前面的分情况,得到严格结论 \gamma<\alpha+\beta。

10.3 截顶平面为什么存在 ​

把原顶点 O 选作原点。设经过它的关联面的半空间式为 a_i\cdot x\le0。不经过它的其他面,在 O 处都严格满足各自不等式。

这些关联平面的公共交集只有原点:若还含有一条方向 d,沿 d 与 -d 各移动足够小的距离,不违反任何关联约束;其他有限个严格约束也仍满足。于是 O 位于凸体内两个不同点的线段中间,不可能是顶点。这与定义矛盾。

对 x\in P,令

g(x)=\sum_i\frac{-a_i\cdot x}{|a_i|}.

每一项都是点到相应关联支撑平面的向内距离,均不为负;和为零必须每项都为零,所以在 P 中只有 O 取零值。其他顶点有限,故其 g 值有正的最小值 m。选 0<\varepsilon<m,平面 g(x)=\varepsilon 就把 O 与其他顶点分开。

每条从 O 发出的棱恰好穿过此平面一次;不经过 O 的棱两端 g 值都至少为 m,整条棱都不会被此平面截到。截面是凸的,因为它是凸体与一个平面的交集。其顶点恰为截到原棱的点:在原面内部只能沿一条截线通过,不会在那里产生截面转角。

因此,若从 O 发出 n 条棱,便得到按循环次序排列的凸 n 边形 A_1\cdots A_n。每个关联原面留下一个侧三角形 OA_iA_{i+1}。相邻三点不共线,否则中间点不是截面真正的顶点。

OA₁A₃A₄A₂金色平面截到所有从 O 发出的棱截面放到纸上看:凸多边形A₁A₂A₃A₄A₅左图画四棱锥;右图另示一般截面
图 25|先用一张平面截掉顶点附近的小角:原来的各个面,在小棱锥中变成侧三角形。截面是平面凸多边形,内角和可以直接使用。

10.4 角度记账与严格小于 360° ​

记侧三角形在 O 的顶角为 \theta_i=\angle A_iOA_{i+1};在 A_i 的底角为 \alpha_i;在 A_{i+1} 的底角为 \beta_i。下标循环,即 A_{n+1}=A_1、\beta_0=\beta_n。

每个三角形给出 \theta_i+\alpha_i+\beta_i=\pi。全部相加:

\sum_i\theta_i=n\pi-\sum_i(\alpha_i+\beta_i).

在底面顶点 A_i,底面内角 \gamma_i=\angle A_{i-1}A_iA_{i+1}。绕经方向 A_iO 的两个角分别是前一个侧三角形的 \beta_{i-1} 和后一个侧三角形的 \alpha_i。

三个方向不共面:A_{i-1},A_i,A_{i+1} 决定截面平面,而 O 不在此平面中。于是第 10.2 节给出

\gamma_i<\beta_{i-1}+\alpha_i.
一个侧三角形:θᵢ + αᵢ + βᵢ = πOAᵢAᵢ₊₁θᵢαᵢβᵢ在底面顶点 Aᵢ 比较三个角Aᵢ₋₁Aᵢ₊₁OAᵢγᵢγᵢ < βᵢ₋₁ + αᵢ把所有侧三角形的内角和相加
图 26|左图负责角度记账;右图中 O 在截面之外,三条射线不共面,所以底面角 γᵢ 严格小于绕经 O 的两个角之和。空间射线在纸上的夹角仅作标记,不按比例量角。

凸 n 边形从一个顶点向其余不相邻顶点连对角线,分为 n-2 个三角形,因此 \sum_i\gamma_i=(n-2)\pi。把上述严格不等式相加,再代回:

\sum_i(\alpha_i+\beta_i)>(n-2)\pi,
\qquad
\boxed{\sum_i\theta_i<2\pi=360^\circ}.

\theta_i 就是原面在 O 处的面内角,因为截面点仍在原棱上。严格号来自非共面性;凸性负责让截面和角度的循环顺序正确。这一证明完全不使用欧拉公式。

10.5 角亏说明了什么,又没有说明什么 ​

定义角亏 \delta=2\pi-\sum_i\theta_i。刚才证明凸多面体的真正顶点有 \delta>0。但给定一些多边形,仅仅顶点角和合适,不保证它们能在整个空间中闭合成凸体。

“角和等于 2\pi 就只能铺在一个平面上”也不对。面片可以像纸一样折起来,而不改变纸面上量得的角和。“内禀”就是只看面片自身的长度和角度,不管它怎样摆在空间;这只是一个解释,不将角亏的符号自动等同于空间中的局部凸凹。

本篇的主线只使用已经证明的必要条件:真正凸顶点的面角和严格小于 2\pi。鞍形面、曲率或其他曲面理论不作为这里的前置知识。

10.6 等距变换为什么必为 Qx+b:把省略的坐标步骤写完 ​

“等距”要求映射 T:\mathbb R^3\to\mathbb R^3 对任意 x,y 满足 |T(x)-T(y)|=|x-y|;“P 的对称”还要求 T(P)=P。例如绕轴转 30^\circ 总是等距,但通常不保持选定立方体。

先取 b=T(0),定义 g(x)=T(x)-b。则 g(0)=0,且 g 仍保持两点距离。平方距离恒等式给出

g(x)\cdot g(y)
=\frac{|g(x)|^2+|g(y)|^2-|g(x)-g(y)|^2}{2}
=x\cdot y.

到这里还不能直接把 g(\sum x_ie_i) 拆开,因为线性正是待证结论。令 e_1=(1,0,0),e_2=(0,1,0),e_3=(0,0,1),再令 u_i=g(e_i)。点积保持说明 u_i\cdot u_i=1、u_i\cdot u_j=0(i\ne j);这三条互相垂直的单位方向构成一套完整的空间坐标。

任意向量 w 都能写成 w=c_1u_1+c_2u_2+c_3u_3,两边点乘 u_i 得 c_i=w\cdot u_i。也可先令余项 r=w-\sum_i(w\cdot u_i)u_i;它与三个独立方向都垂直,只能是零,从而证明展开式本身。

现在把 w=g(x) 代入,逐项计算

c_i=g(x)\cdot u_i=g(x)\cdot g(e_i)=x\cdot e_i=x_i.

因此确实得到

g(x)=x_1u_1+x_2u_2+x_3u_3=Qx,
\qquad Q=[\,u_1\ u_2\ u_3\,].

矩阵只是把三个新方向放成三列,矩阵乘向量就是按坐标加权相加。Q^{\mathsf T} 表示把行列互换的转置矩阵,I 表示保持全部向量不变的单位矩阵;Q^{\mathsf T}Q 的第 i,j 项正是 u_i\cdot u_j,所以

\boxed{T(x)=Qx+b,\qquad Q^{\mathsf T}Q=I.}

满足后一个条件的实方阵称为正交矩阵。反过来,

|Q(x-y)|^2=(x-y)^{\mathsf T}Q^{\mathsf T}Q(x-y)=|x-y|^2.

所以这种公式一定等距;Q^{-1}=Q^{\mathsf T},还给出可逆性。一般三维等距变换的所有可能性已包括在 Q,b 中。

10.7 为什么多面体的对称有限,却不止八个 Q ​

设 v_1,\ldots,v_n 为 P 的实际顶点。等距变换保持线段及“不能夹在两点中间”的顶点性质,故 P 的对称一定排列顶点。令平均点 O=(v_1+\cdots+v_n)/n,由刚证明的形式,

T(O)=\frac1n\sum_iT(v_i)=\frac1n\sum_i v_i=O.

每个面限制都至少有一个顶点严格满足,所以全部顶点的平均点严格满足每个面限制,位于内部。把这个共同固定点选为原点,所有对称同时变成 T(x)=Qx。此处“中心”指共同固定点,不表示原立体一定还具有 x\mapsto-x 的中心对称;正四面体就没有后一性质。

为什么数量有限?固定一个旗标 (A,e,f),一个保持它的对称必须固定 A、棱中点 M、面顶点平均点 C,以及 O。A,M,C 在面内不共线,O 不在面平面,四点不共面。保持四个不共面点的等距变换只能是恒等:由 Qx+b 的形式,三个独立点差都固定,故 Q=I,b=0。所以从一个旗标到给定另一个旗标,至多有一个整体对称(两个这样的变换相除就固定原旗标)。

旗标只有 4E 个,因此任意凸多面体的对称至多 4E 个;若它是正多面体,每个目标旗标都可达到,便恰好有 4E 个。由已证五种构造的棱数,得到 24,48,48,120,120 个全体对称;反射也算在内。这是结果,不用来预先证明构造正则。

用户想到的“八种矩阵”是 \operatorname{diag}(\varepsilon_1,\varepsilon_2,\varepsilon_3),其中每个 \varepsilon_i=\pm1,确有 2^3=8 种;它额外要求三条坐标轴各自保持,不允许它们转向其他方向。

立方体还允许交换坐标轴,所以有 3!\,2^3=48 个带符号坐标置换。它们确实全部保持 [-1,1]^3。也没有其他:对称必须排列六个面的中心 \{\pm e_1,\pm e_2,\pm e_3\},故每列 Qe_i 只能是一个带符号坐标轴方向,且不能重复轴。

所有正交矩阵的范围更大。例如

Q(\theta)=\begin{pmatrix}
\cos\theta&-\sin\theta&0\\
\sin\theta&\cos\theta&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}

对任意实数角度都正交;\theta\in[0,2\pi) 时彼此不同,已有不可数无穷多个,即不能排成一个自然数编号清单的无穷多。其总数也不超过实数有限元组的数量,因此与实数一样多。固定多面体的条件 Q(P)=P 才把它筛成有限集。

问的是哪一层数量
只在固定坐标轴上改变正负号8
保持标准立方体的全部整体对称48,其中 24 个旋转
只要求 Q^{\mathsf T}Q=I不可数无穷多个
给这些变换的几何效果取几类名称分类问题,与具体元素个数不同

10.8 行列式和特殊方向:本节所需的线性代数 ​

接下来的三维分类是补充证明;五种构造可直接核对具体变换,不必把分类定理当前提。先解释符号,避免用“特征值”三个字代替论证。

对 2\times2 矩阵,\det\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}=ad-bc。对三阶矩阵 A=(a_{ij}),

\begin{aligned}
\det A={}&a_{11}(a_{22}a_{33}-a_{23}a_{32})\\
&-a_{12}(a_{21}a_{33}-a_{23}a_{31})\\
&+a_{13}(a_{21}a_{32}-a_{22}a_{31}).
\end{aligned}

几何上它是三个列向量张成的平行六面体的有符号体积:绝对值量体积,正负记录三方向的左右手排列,称为取向。相应的代数性质为

\det(AB)=\det A\det B,\quad
\det A^{\mathsf T}=\det A,\quad
\det(-A)=(-1)^n\det A.

最后一式针对 n 阶矩阵:每列乘 -1,总共 n 列。前两式可由行列式按行列的展开式核对,是本节明示使用的初等代数恒等式。另用线性方程的判据:\det A=0 当且仅当列方向相关,当且仅当 Ax=0 有非零解;三维中就是三列共面,可用消元检查。

正交条件立即给出 (\det Q)^2=\det(Q^{\mathsf T}Q)=1,故 \det Q=\pm1。但这两种符号本身尚未证明“旋转或旋转反射”,仍要找出轴及垂直平面的动作。

若 v\ne0 满足 Qv=\lambda v,就称 v 是一个实特征方向,\lambda 是对应实特征值;这里只是说该直线整体保持,允许反向。正交性给出 |v|=|Qv|=|\lambda||v|,因此实数 \lambda 只能为 +1 或 -1。

10.9 任意三维正交矩阵为什么必有轴 ​

要找的轴向符号必须与 \det Q 相匹配;随便找到任意一个 \pm1 方向还不足以立即断言剩下的平面只旋转。

若 \det Q=+1,利用 Q^{-1}=Q^{\mathsf T} 和上一节的行列式规则,逐行有

\begin{aligned}
\det(Q-I)
&=\det Q\,\det(I-Q^{-1})\\
&=\det(I-Q^{\mathsf T})\\
&=\det(I-Q)\\
&=-\det(Q-I).
\end{aligned}

所以 \det(Q-I)=0,方程 (Q-I)v=0 有非零解,即 Qv=v。

若 \det Q=-1,则

\begin{aligned}
\det(Q+I)
&=\det Q\,\det(I+Q^{-1})\\
&=-\det(I+Q^{\mathsf T})\\
&=-\det(Q+I).
\end{aligned}

故 Qv=-v 有非零解。两种情况统一为:令 \delta=\det Q,总能找到单位向量 v 使 Qv=\delta v。

若 u\perp v,则 Qu\cdot Qv=u\cdot v=0,代入 Qv=\delta v 得 Qu\perp v。所以不仅轴保持,垂直于它的二维平面也整体保持;两个部分不互相混合。

10.10 垂直平面怎样动作,以及全部三维类型 ​

在轴的垂直平面取两个互相垂直的单位方向 w_1,w_2。平面上的矩阵记为 B,选取三维坐标 (w_1,w_2,v) 后,Q 的矩阵为

\begin{pmatrix}B&0\\0&\delta\end{pmatrix}.

其行列式为 \det B\,\delta=\det Q=\delta,因此 \det B=+1。二维正交矩阵的第一列是单位向量 (\cos\theta,\sin\theta);第二列必须垂直且单位,只有 \pm(-\sin\theta,\cos\theta) 两选项。正行列式选出加号,所以 B 就是二维旋转。

若原坐标中三条新基方向组成正交矩阵 U=[w_1\ w_2\ v],准确公式是

\boxed{U^{\mathsf T}QU=
\begin{pmatrix}
\cos\theta&-\sin\theta&0\\
\sin\theta&\cos\theta&0\\
0&0&\delta
\end{pmatrix}.}

左边是换了坐标后的矩阵,不是说原坐标中的每个 Q 本来就以 z 为轴。保持取向的三维结论称为欧拉旋转定理,与第 9 章的 V-E+F=2 是不同定理。由此得到完整分类:\delta=+1 时,轴向不动,垂直平面旋转,故为绕轴旋转;\delta=-1 时,轴向反向,平面旋转,故为绕轴旋转后关于垂直平面反射。两步复合是一个等距变换。

vv → v绕轴旋转:轴向保持vv → −v旋转反射:轴向反向两者都在垂直平面内旋转;区别在轴的符号
图 27|分解的是同一个空间变换:轴和垂直平面各自保持。右图还将轴方向反向;镜面反射与中心对称分别对应旋转角 0° 和 180°。
三维固定中心后的类型标准坐标中的动作不动点集合
恒等\delta=1,\theta=0全空间
非恒等旋转\delta=1,\theta\ne0\pmod{2\pi}一整条轴
镜面反射\delta=-1,\theta=0垂直于轴的整个平面
一般旋转反射\delta=-1,\theta\not\equiv0,\pi只有中心
中心对称,又称点反射\delta=-1,\theta=\pi,即 Q=-I只有中心

中心对称把 X 变成 2O-X,令 O 成为两点中点。在三维,它不等于一次 180^\circ 绕轴旋转:旋转保留整条轴,而点反射只有一个不动点。在二维,-I 恰好是 180^\circ 旋转,两者不能混用维数。

原对话的“中心反演”在这里专指点反射,不指反演几何中另一个映射 x\mapsto r^2x/|x|^2;后者一般不保持距离。旋转反射是大类,镜面反射和中心对称是它的特殊情况,不能把这三个名称当作互斥类别。

例如 T(x,y,z)=(-y,x,-z) 是 90^\circ 旋转反射:它保持立方体,固定点只有原点,且平方为 (-x,-y,z),所以既非纯旋转,也非单次镜面反射。分类说的是复合后的整体效果。

若未把固定中心移到原点,就必须同时看 Q,b。例如 Q=-I 时 T(x)=-x+b 的中心在 b/2;Q=I 且 b\ne0 时是平移。绕轴旋转后再沿轴平移可无固定点,称螺旋运动;关于平面反射再沿平面平移可得到滑移反射。它们都已包含在 Qx+b 中,但不能保持一个有界多面体,因为该多面体的顶点平均点必须固定。

10.11 为什么二维可以没有轴,三维却一定有 ​

上一证明中决定性的负号来自 \det(-A)=(-1)^3\det A=-\det A。若是二维,因 (-1)^2=1,不再得到“一个数等于自己的相反数”,就不能强迫行列式为零。

实例如平面旋转 60^\circ:

R=\begin{pmatrix}1/2&-\sqrt3/2\\\sqrt3/2&1/2\end{pmatrix},
\qquad\det(R-I)=1,\quad\det(R+I)=3.

两者非零,因此没有非零实向量满足 Rv=v 或 Rv=-v。二维不是“永远没有这种方向”:恒等、半周旋转及镜面反射就有;只是不像三维那样必有。

60°二维旋转可以没有特殊直线det(R−I)=1;det(R+I)=3三维:奇数次的符号变化det(−A) = −det(A)迫使所选 Q∓I 的行列式为零有轴以后,还剩一个二维平面
图 28|左图任意非零向量转 60° 都不与原方向平行;右侧是三维必须存在轴的代数原因,不将一个旋转实例当作任意矩阵的证明。

还有一个不用复数的解释。对实三阶矩阵 A,p(t)=\det(tI-A) 是首项为 t^3 的实多项式,向正、负无穷时符号相反。中间值性质保证有实数根 \lambda,于是 Av=\lambda v 有非零实解。若 A 正交,长度保持再迫使 \lambda=\pm1。二维的二次式可以始终为正,如上例 t^2-t+1=(t-1/2)^2+3/4。

原对话也用“非实根成对出现”解释同一现象:实系数多项式满足 p(\overline z)=\overline{p(z)},故非实根和其复共轭一起出现;奇数个位置不能全被两两配完。本文用实多项式的中间值论证已经足够,不把代数基本定理或复特征向量当前置知识。

奇数维的行列式符号论证同样保证至少一个 +1 或 -1 方向,偶数维则允许没有。三维分类还多用了一件事:去掉一条轴后恰好剩二维。在五维可同时在两个互相垂直的平面分别转不同角度,再固定第五方向,不能再压成一个二维旋转加一条轴。本篇不需要高维正交分解定理。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。