Neste trabalho, utilizaremos tanto o plano euclidiano quanto o plano projetivo. Esta seção busca dar uma breve introdução a alguns conceitos relativos ao plano projetivo e
3.2. O Plano Projetivo e Transformações Projetivas 11 l m q1 q2 q3 q0 2 q0 3 s q0 1 l∞ l∞ m∞ m∞ p s0
Figura 3.1: Um exemplo de transformação perspectiva
l
∞l
Figura 3.2: Ilustração da topologia de uma reta no plano projetivo
transformações projetivas. Para uma abordagem mais completa, consulte as referências [30, 10, 21].
Considere o problema de mapear pontos de uma reta l a pontos de outra reta distinta m no plano euclidiano (veja Figura 3.1). Para efetuar este mapeamento utilizaremos um ponto p, chamado de ponto de perspectiva, que não incide em l ou m. Mapearemos um ponto q ∈ l a um ponto q0 ∈ m se a reta qp intercepta m em q0. Seja s (s0) um ponto
de l (m) tal que a reta ps (ps0) é paralela a m (l). Por definição, s (s0) não é mapeado a nenhum ponto de m (l), logo este mapeamento não é uma bijeção.
Seja l∞ o conjunto de todas as retas paralelas a l que chamaremos de ponto ideal.
Vamos tratar um ponto ideal como um ponto qualquer do plano. Precisamos definir o conceito de incidência de um ponto ideal em uma reta e vice-versa. Dizemos que um ponto ideal l∞ incide em um reta l, e vice-versa, se e somente se l ∈ l∞. Seja r∞ o conjunto de
todos os pontos ideais l∞ para toda reta l no plano euclidiano; denominamos r∞ de reta
ideal. O plano projetivo real P2 é modelado como o conjunto de pontos R2S
r∞. Note
que no plano projetivo, quaisquer duas retas interceptam-se em um único ponto, ideal ou não. Em particular, o ponto de interseção de r∞ com a reta l é o ponto l∞.
Uma reta l no plano projetivo real é equivalente a uma reta do plano euclidiano com a adição de um ponto ideal l∞. Tais retas possuem a mesma topologia que um círculo
3.2. O Plano Projetivo e Transformações Projetivas 12 pc pa pd pb q qa qb qd m l
Figura 3.3: Exemplo de como achar o conjugado harmônico pd de uma tripla de pontos pa, pb e pc.
unitário [21]. Em ambos os sentidos de percurso de l, tem-se incidência no ponto l∞(veja
Figura 3.2). Isto significa que dois pontos p e q distintos incidentes a l dividem a reta em dois segmentos distintos. Se p e q não forem pontos ideais, denominamos um desses segmento de interno se o segmento não contém o ponto ideal da reta e externo se ele contém o ponto ideal.
Considere o problema de mapeamento anterior, mas desta vez suponha que as retas estejam contidas no plano projetivo. Podemos mapear o ponto s para o ponto m∞ e o
ponto ideal l∞ para o ponto s0, obtendo uma bijeção entre o todos os pontos das duas
retas. O mapeamento de uma reta a outra através de um ponto de perspectiva é chamado de transformação perspectiva [30].
Sejam p, q e r três pontos não-ideais de uma reta l tal que q está contido no segmento interno pr. Após uma transformação projetiva a imagem q0 do ponto q pode ser mapeada ao segmento externo das imagens de p e r. O exemplo da Figura 3.1 mostra que o ponto q2 está contido no segmento interno dos pontos q1 e q3, porém, a sua imagem q02
é mapeada ao segmento externo dos pontos q01 e q03, imagens de q1 e q3, respectivamente.
Note, porém, que q30 foi mapeado ao mesmo segmento de q10 e q20 que s0, imagem do ponto ideal l∞. Sejam dois pontos q e r contidos em um mesmo segmento definido por outros
dois pontos distintos p e s. Mostraremos que, após uma transformação projetiva, suas imagens q0 e r0 são mapeadas ao mesmo segmento definido pelas imagens de p e s. Em outras palavras, se r0 pertencer ao segmento interno (externo) então q0também pertencerá ao mesmo segmento.
Seja l uma reta e p, q, e r três pontos distintos incidentes a l. Assuma um sentido arbitrário de percurso sobre l. Dado um par de pontos p e q em l, existe apenas um
3.2. O Plano Projetivo e Transformações Projetivas 13
segmento direcionado unindo p a q, nesta ordem. Usaremos a notação p < q < r para indicar que q está contido no segmento direcionado pr.
Fazendo referência à ilustração da Figura 3.3, seja l uma reta no plano projetivo e sejam pa, pb e pc três pontos incidentes nesta ordem (i.e. pa < pb < pc) segundo um sentido adotado em l. Seja q um ponto não incidente a l. Escolha uma reta m, distinta de l, que passa por pc e evita q. Rotule como qa e qb os pontos de interseção entre m e as retas qpa e qpb, respectivamente. Seja qd o ponto de encontro das retas paqb e pbqa e rotule como pd a interseção entre as retas l e qqd. Chamamos pd de conjugado harmônico da tripla pa, pb e pc e dizemos que o segmento papb divide harmonicamente o segmento pcpd [10, 30]. Em outras palavras, pce pd estão em segmentos distintos da reta l definidos pelos pontos pa e pb. A quádrupla (pa, pb; pc, pd) é chamada de quádrupla harmônica. Dados quaisquer três pontos em uma reta do plano projetivo, é sempre possível achar o conjugado harmônico da tripla [30, 10]. Este fato é resumido no lema a seguir.
Lema 3.2.1. [30] Seja pa, pb e pc uma tripla de pontos em uma reta l no plano projetivo. Então, existe um ponto pd ∈ l tal que (pa, pb; pc, pd) é uma quádrupla harmônica.
Quádruplas harmônicas são preservadas após uma transformação projetiva [30, 10]. Sejam p, q, r e s uma quádrupla de pontos incidentes a uma reta l tal que p < q < r < s segundo o sentido escolhido. Sejam p0, q0, r0 e s0 suas imagens, respectivamente, após uma transformação projetiva. Então p0 < q0 < r0 < s0 ou p0 > q0 > r0 > s0 na reta transformada.
Um resultado importante sobre o plano projetivo é o princípio da dualidade [30]:
Teorema 3.2.1. Se A é um teorema sobre o plano projetivo real então a afirmação dual
A∗ abtida pela reversão dos papéis entre pontos e retas também é um teorema.
Este teorema indica que retas e pontos comportam-se de maneira similar com relação a incidência no plano projetivo real. Seja Π uma instância do plano projetivo real. Podemos obter outra instância do plano projetivo real Π∗ mapeando-se cada reta l ∈ Π a um ponto l∗ ∈ Π∗ e cada ponto p ∈ Π a uma reta p∗ ∈ Π∗ de modo que a incidência entre pontos e
retas seja mantida (i.e., p ∈ l se e somente se l∗ ∈ p∗). O plano Π∗ é chamado de plano
dual de Π com respeito a este mapeamento.
A partir deste momento, qualquer segmento entre dois pontos não-ideais deve ser entendido como o segmento interno, a não ser que seja mencionado o contrário. Para qualquer conjunto de pontos mencionada neste trabalho, deve-se assumir que o mesmo não contém nenhum ponto ideal.