GEOMETRIA : agosto 2012

20.8.12

Posições harmónicas numa reta

Em "Perpectives on Projective Geometry", Richter-Gebert escreve que há algumas (poucas) coleções notáveis de posições relativas de pontos que geram conjuntos harmónicos e apresenta como exemplo uma coleção de equações em x e y, a saber:

(-x, x; 0, ∞) = -1
(0, 2x; x, ∞) = -1
(x, y; (x+y)/2, ∞) = -1
(-1, 1; 0x, 1/x) = -1
(-x, x; 1, x2) = -1

em que para facilitar se identificam pontos numa reta com correspondentes números reais incluindo o ponto ∞ para o ponto no infinito.
Para explicitar, começa por verificar que para um ponto x arbitrário (ou número real arbitrário), recorrendo à definião de razão cruzada e às operações com expressões algébricas de variável real,
(-x, x; 1, x2) = -1, no seguinte sentido
(-x, x; 1, x2)=[(1+x).(x2-x)]/[(x2+x).(1-x)]=[(1+x).x.(x-1)] /[x.(x+1).(1-x)]=-1
Por exemplo, o par (1,4) separa harmonicamente o par (-2,2), Fixados -2, 2, 1 a posição 4 é interseção de -2'2'.r não dependendo de O nem de P (este último ponto arbitrario de 1P).

11.8.12

Duas determinações da razão cruzada de 4 posições harmónicas

Primeira.
Na entrada anterior, concluíamos com a afirmação de que se entre os pontos A, B, C e D colineares se estabelecesse uma relação harmónica, então a razão cruzada (a,b;c,d) seria -1. Este facto decorre do anterior resultado sobre permutações de pontos e de razões cruzadas que relembramos agora as que nos interessam para calcular a razão cruzada de quatro pontos em relação harmónica :

(a,b;c,d)=(b,a;d,c)=(c,d;a,b)=(d,c;b,a)
e os equivalentes resultados com conjuntos harmónicos H(AB, CD) sse H(BA, DC) sse H(CD,AB) sse H(DC,BA)
(a,b;c,d)=1/(a,b;c,d)
sendo que, para o caso das relações harmónicas, se provou que H(AB,CD) sse H(AB,DC), obrigando
(a,b;c,d)=(a,b;d,c) e, portanto, (a,b;c,d).(a,b;c,d)=1 e, em consequência, (a,b;c,d)=1 ou (a,b;c,d)=-1.
Para pares (a,b) e (c,d) em posições harmónicas em que a é distinto de b e c é distinto de d, como c-b e d-b são de sinais diferentes a razão (a,b;c,d) não pode ser positiva e só resta ser (a,b;c,d)=-1.

Assim é natural dizermos que a razão cruzada (a,b;c,d)=-1 é a razão harmónica e às razões cruzadas diferentes de -1 chamamos razões anarmónicas.

Segunda.
Para a construção que se segue, tomamos 3 pontos colineares A, B, C sobre uma mesma reta. Para determinar um conjunto harmónico de que esses três pontos sejam elementos, tomámos um ponto auxiliar O e traçamos AO, BO e CO. Sobre CO tomamos um novo ponto auxiliar P e traçamos AP e BP. A'=AO.BP e B'=BO.AP. O quarto ponto D do conjunto harmónico é AB.A'B'=D. A e B são pontos diagonais de A'PB'O, C e D são pontos de AB dos lados opostos do quadrângulo OP e A'B'.
Pretendemos ilustrar que quaisquer escolhas para O e P dão sempre o mesmo D e ver como a relação harmónica se mantémm por permutação dos elementos de um dos pares do quaterno, e tem como consequência o valor -1 para a razão cruzada correspondente.
[A.A.M.]
O ponto O pode ser tomado como centro de uma perspetividade que transforma ABCD em A'B'C'D. Por isso, (a,b;c,d)=(a',b';c',d').
De modo análogo, P é o centro de uma perspetividade que transforma A'B'C'D em BACD e, por isso, (a',b';c',d)=(b,a;c,d). Conclui-se finalmente que (a,b;c,d)=(b,a;c,d). E, como (b,a;c,d)=1/(a,b;c,d), (a,b;c,d)=-1.

8.8.12

Da relação harmónica à respetiva razão harmónica

(a,b;c,d)=(b,a;d,c)=(c,d;a,b)=(d,c;b,a)
e os equivalentes resultados com conjuntos harmónicos H(AB, CD) sse H(BA, DC) sse H(CD,AB) sse H(DC,BA)
(a,b;c,d)=1/(a,b;c,d)
sendo que, para o caso das relações harmónicas, se provou que H(AB,CD) sse H(AB,DC), obrigando
(a,b;c,d)=(a,b;d,c) e, portanto, (a,b;c,d).(a,b;c,d)=1 e, em consequência, (a,b;c,d)=1 ou (a,b;c,d)=-1.
Para pares (a,b) e (c,d) em posições harmónicas em que a é distinto de b e c é distinto de d, como c-b e d-b são de sinais diferentes a razão (a,b;c,d) não pode ser positiva e só resta ser (a,b;c,d)=-1.

Assim é natural dizermos que a razão cruzada (a,b;c,d)=-1 é a razão harmónica e às razões cruzadas diferentes de -1 chamamos razões anarmónicas.

Segunda.
Para a construção que se segue, tomamos 3 pontos colineares A, B, C sobre uma mesma reta. Para determinar um conjunto harmónico de que esses três pontos sejam elementos, tomámos um ponto auxiliar O e traçamos AO, BO e CO. Sobre CO tomamos um novo ponto auxiliar P e traçamos AP e BP. A'=AO.BP e B'=BO.AP. O quarto ponto D do conjunto harmónico é AB.A'B'=D. A e B são pontos diagonais de A'PB'O, C e D são pontos de AB dos lados opostos do quadrângulo OP e A'B'.
Pretendemos ilustrar que quaisquer escolhas para O e P dão sempre o mesmo D e ver como a relação harmónica se mantémm por permutação dos elementos de um dos pares do quaterno, e tem como consequência o valor -1 para a razão cruzada correspondente.
[A.A.M.] O ponto O pode ser tomado como centro de uma perspetividade que transforma ABCD em A'B'C'D. Por isso, (a,b;c,d)=(a',b';c',d'). De modo análogo, P é o centro de uma perspetividade que transforma A'B'C'D em BACD e, por isso, (a',b';c',d)=(b,a;c,d). Conclui-se finalmente que (a,b;c,d)=(b,a;c,d). E, como (b,a;c,d)=1/(a,b;c,d), (a,b;c,d)=-1.

5.8.12

Invariância da razão cruzada por projetividade

A construção que se segue pretende demonstrar que a razão cruzada de 4 pontos A, B, C, D de r se mantém invariante por projetividade
[A.A.M.]

3.8.12

Invariância da razão cruzada por perspetividade

A construção da entrada anterior também sugere (ou decorre mesmo) da verificação da invariância da razão quadrada por uma perspetividade de centro O.
A construção que se apresenta ilustra isso mesmo. A razão quadrada dos quatro pontos A,B,C,D sobre r é a mesma razão para os quatro pontos A', B', C', D', sobre s, obtidos como transformados de A, B, C, D pela perspetividade de centro O.
Pode deslocar os pontos O, A, B, C, D e também r e s para ver(ificar) esse resultado.

[A.A.M.]

Razão cruzada de um feixe de 4 retas

A "razão cruzada" (ou razão de razões de diferenças) de quatro pontos incidentes numa mesma reta que temos vindo a estabelecer mantém-se por projetividade. É, por isso, muito importante em Geometria Projetiva e há autores que usam a "razão cruzada" para definir projetividade como a transformação geométrica pela qual a razão cruzada se mantém invariante. Não é o caso nas notas de estudo que temos vindo a publicar.

Não vamos provar essa afirmação. Limitar-nos-emos a ilustrá-la e a pedir que a aceitem a partir das ilustrações que permitem conjeturar tal resultado.
Como é habitual em Geometria Projetiva, verificamos a dualidade em cada conceito e, por isso, vamos ver(ificar) que há uma razão cruzada de quatro retas a incidir num mesmo ponto.
A construção seguinte apresenta quatro retas incidentes em O (um feixe) cortadas por uma reta r. Poderá deslocar a reta r e veriifcar que a razão cruzada dos quadros pontos da secção (ou pontual) do feixe por r não depende da reta r. Podemos, por isso, assimilar esta razão invariante como caraterística do feixe.

Na nossa construção a reta r é determinada por dois pontos livres E e F, que lhe permitem verificar que a razão cruzada não depende da reta r

[A.A.M.]