notes/Geometria 1/Spazi affini/2023-05-05, Affinità e spazio proiettivo/main.tex

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\title{\textbf{Note del corso di Geometria 1}}
\author{Gabriel Antonio Videtta}
\date{5 maggio 2023}

\begin{document}
	
	\maketitle
	
	\begin{center}
		\Large \textbf{Affinità e spazio proiettivo}
	\end{center}
	
	\begin{note}
		Qualora non specificato diversamente, con $E$ si indicherà un
		generico spazio affine di dimensione $n$ su cui agisce lo
		spazio vettoriale $V$.
	\end{note}
	
	Sia $f$ un'applicazione affine di $E$. Allora, per ogni $O \in E$, $\v \in V$,
	$f(O + \v) = f(O) + g(\v)$, dove $g \in \End(V)$ è l'applicazione lineare
	associata ad $f$. Pertanto $f(O + \v) = O + (f(O) - O) + g(\v)$, ossia
	$f$ è una traslazione di vettore $f(O) - O$ composta ad un'applicazione
	lineare. \\
	
	In particolare, passando alle coordinate rispetto al punto $O$ e una
	base $\basis$ di $V$, si può riscrivere $[f(P)]_{O, \basis}$ secondo
	la seguente identità:
	
	\[ [f(P)]_{O, \basis} = \underbrace{[f(O) - O]_{\basis}}_{\vec b} + \underbrace{[g(P - O)]_{\basis}}_{A [\v]_\basis} = A [P - O]_\basis + \vec b, \]
	
	dove $A = M_\basis(g)$. In particolare, in $\AnK$, scegliendo $O = \vec 0$ come origine e la base canonica
	come base $\basis$, si ottiene che:
	
	\[ f(\v) = A \v + \vec b, \]
	
	per ogni $\v \in \AnK$. Se $f \in A(E)$, allora vale anche che:
	\[ f\inv(O + \w) = f\inv(f(O) + (O - f(O)) + \w) = O - g\inv(f(O) - O) + g\inv(\w), \]
	
	dove si è usato che $g$ è invariante per cambiamento del punto d'origine $O$. Pertanto,
	in questo caso, passando alle coordinate, vale che:
	
	\[ [f\inv(P)]_{O, \basis} = A\inv [P - O]_\basis - A\inv \vec b. \]
	
	Considerando questa identità in $\AnK$, risulta che:
	
	\[ f\inv(\vec v) = A\inv \vec v - A\inv \vec b, \]
	
	per ogni $\v \in \AnK$.
	
	\hr \vskip 0.1in

	Sia $\iota : \AnK \to H_{n+1}$ l'applicazione che associa $\vec x$ a $\Vector{\vec x \\ 1} \in H_{n+1}$,
	dove vale che:
	
	\[ H_{n+1} = \left\{ \Vector{x_1 \\ \vdots \\ x_{n+1}} \;\middle\vert\; x_{n+1} = 1 \right\}, \]
	
	\vskip 0.15in
	
	ossia l'iperpiano affine di $\Aa_{n+1}(\KK)$ dei vettori con l'ultima coordinata pari a $1$. Per comodità
	si indica $\iota(\x)$ con $\hat \x$.
	
	\begin{proposition}
		$\iota$ è un'isomorfismo affine.
	\end{proposition}
	
	\begin{proof}
		Si verifica innanzitutto che $\iota$ è un'applicazione affine. Siano $\lambda_1$, ..., $\lambda_k \in \KK$ tali
		che $\sum_{i=1}^k \lambda_i = 1$, e siano $\xx 1$, ..., $\xx k \in E$. Allora vale che:
		
		\[ \iota\left( \sum_{i=1}^k \lambda_i \xx i \right) = \Vector{\sum_{i=1}^k \lambda_i \xx i \\ 1} = \Vector{\sum_{i=1}^k \lambda_i \xx i \\ \sum_{i=1}^k \lambda_i} = \sum_{i=1}^k \lambda_i \, \iota(\xx i). \]
		
		\vskip 0.05in
		
		Si consideri\footnote{Per concludere in modo più diretto la dimostrazione è sufficiente anche esibire l'inverso di $g$, ottenuto ignorando l'ultima coordinata di un vettore di $H_{n+1}$.} ora l'applicazione lineare $g$ associata a $\iota$. Allora, posto $O = \vec 0$, $g(\v) = f(O + \v) - f(O) =
		f(\v) - f(\vec 0) = f(\v) - \Vector{0 & \cdots & 0 & 1}^\top$. Dal momento che la direzione di $H_{n+1}$ è
		$n$-dimensionale (scegliendo $O$ come origine, tutti i vettori ottenibili scartano l'ultima coordinata, sempre
		pari a $0$), $g$ mappa due spazi vettoriali di stessa dimensione. \\
		
		Pertanto, è sufficiente dimostrare che $g$ è surgettiva affinché sia invertibile (e dunque $\iota$ sia un isomorfismo affine). Chiaramente $g$ è surgettiva, dal momento che ad ogni vettore $\hat \v = \Matrix{\v & 0} \in \Giac(H_{n+1})$ è tale che $g(\v) = \hat \v$. Si conclude dunque che $g$ è invertibile, e che $\iota$ è
		un isomorfismo affine.
	\end{proof}

	\begin{proposition}
		Sia $f \in A(\AnK)$ e sia $f' = \iota \circ f \circ \iota\inv \in A(H_{n+1})$
		l'identificazione di $f$ in $H_{n+1}$. Allora si può estendere $f'$ ad un'applicazione lineare invertibile $\hat f$ di $\KK^{n+1}$ (ossia ad un'applicazione $\hat f$ tale per cui $\restr{\hat f}{H_{n+1}} = f'$). Viceversa, data un'applicazione lineare invertibile $g \in \End(\KK^{n+1})$ tale che $\restr{g}{H_{n+1}} = H_{n+1}$, allora la restrizione $\restr{g}{H_{n+1}}$ è un'affinità di $H_{n+1}$ ed
		induce un'affinità $f$ di $\AnK$ in modo tale che $f = \iota\inv \circ \restr{g}{H_{n+1}} \circ \iota$. \\
		
		In particolare, una tale $\hat f$ è tale che $\hat f(\x') = A' \x'$ $\forall \x' \in \KK^{n+1}$, dove
		vale che:
		
		\[ A' = \Matrix{ A & \rvline & \vec b \, \\ \hline 0 & \rvline & 1 \, }, \qquad f(\v) = A \v + \vec b \quad \forall \v \in \AnK. \]
	\end{proposition}
	
	\begin{proof}
		Si consideri $\hat f \in \End(\KK^{n+1})$ tale che $\hat f(\x') = A' \x'$. $\hat f$ è invertibile dal
		momento che $A'$ lo è. Infatti vale che:
		
		\[ (A')\inv = \Matrix{ A\inv & \rvline & -A\inv \, \vec b \, \\ \hline 0 & \rvline & 1 \, }. \]
		
		\vskip 0.05in
		
		Sia $\hat x = \Vector{\x & 1}^\top \in H_{n+1}$. Sia ora $\hat x \in H_{n+1}$. Allora $\hat f(\hat x) = \Vector{A \x + \vec b & 1}^\top = \Vector{f(\x) & 1}^\top = \iota(f(\vec x)) = \iota(f(\iota\inv(\hat x))) = f'(\hat x) \in H_{n+1}$ $\forall \hat x \in H_{n+1}$. Pertanto $\restr{\hat f}{H_{n+1}} = f'$. \\
		
		Si consideri adesso $g \in \GL(\KK^{n+1})$ tale che $\restr{g}{H_{n+1}} = H_{n+1}$. Sia $A'$ tale che
		$g(\x') = A' \x'$ $\forall \x' \in \KK^{n+1}$. Poiché $\restr{g}{H_{n+1}} = H_{n+1}$, allora
		$(A')_{n+1,n+1} = g(\e{n+1})_{n+1} = 1$. Poiché $g(\e n + \e{n+1})_{n+1} = 1$, allora $(A')_{n+1,n} = 0$.
		In particolare, partendo da $j=n$ fino a $j=1$, si deduce, per induzione, che $g(\e j + \ldots + \e{n+1})_{n+1} = 1 \implies (A')_{n+1,j} = 0$. \\
		
		Allora $A'$ è della seguente forma:
		
		\[ A' = \Matrix{ A & \rvline & \vec b \, \\ \hline 0 & \rvline & 1 \, }, \quad A \in M(n, \KK), \, \vec b \in \KK^n. \]
		
		\vskip 0.05in
		
		Considerando allora l'applicazione affine $f \in \AnK$ tale che $f(\v) = A \v + \vec b$,
		$g$ è l'applicazione lineare invertibile che estende $f' = \iota \circ f \circ \iota\inv$, come
		visto prima, da cui la tesi.
	\end{proof}
	
	\begin{remark}
		Le matrici della forma:
		
		\[ \Matrix{ A & \rvline & \vec b \, \\ \hline 0 & \rvline & 1 \, }, \quad A \in M(n, \KK), \, \vec b \in \KK^n, \]
		
		\vskip 0.05in
		
		formano un sottogruppo di $(M(n+1, \KK), \cdot)$ canonicamente isomorfo a $A(\AnK)$. In particolare si osserva che un'affinità dipende
		da esattamente $n^2 + n$, dove $n^2$ sono i parametri su cui
		si basa $A$, e $n$ sono i parametri su cui si basa $\vec b$. \\
		
		Se $D \subseteq E$ è un sottospazio affine di $E$, l'insieme
		$T = \{ f \in A(E) \mid f(D) = D \}$ forma un sottogruppo di $(A(E), \circ)$. In particolare, se $\dim D = k$, un'affinità di $T$
		dipende da esattamente $(k+1)k + (n-k)n$ parametri. \\
		
		Infatti in tal caso, scegliendo una base opportuna di $D_0$, estesa
		poi a base di $E_0$, e riferendosi ad un'origine di $D$,
		$A$ conterrà un blocco $k^2$ relativo alle immagini della base
		di $D$ ed un blocco $(n-k)n$ relativo alle immagini degli altri
		vettori, non appartenenti a $D$. Inoltre dovranno essere scelti
		i parametri riguardanti il vettore $\vec b$, che, essendo stato
		scelto come riferimento un punto d'origine appartenente a $D$,
		richiederà la scelta di $k$ parametri.
	\end{remark}
	
	\hr
	
	\begin{definition} [spazio proiettivo]
		Si definisce lo \textbf{spazio proiettivo} $\PP(\KK^{n+1}) = \PP^n(\KK)$ come l'insieme
		dei sottospazi di dimensione unitaria di $\KK^{n+1}$.
	\end{definition}
	
	\begin{remark}
		Se si definisce la relazione di equivalenza $\sim$ su $V$ in modo tale che $\x \sim \y \defiff \exists \alpha \in \KK^* \mid \x = \alpha \y$, $V \quot \sim$ è in bigezione con lo spazio proiettivo. In particolare,
		ogni elemento di $V \quot \sim$ è un unico elemento dello spazio proiettivo a cui è stato tolto il vettore $\vec 0$.
	\end{remark}
	
	\begin{remark}
		Ogni elemento $\hat x = \Vector{\x & 1}^\top$ di $H_{n+1}$ identifica un unico elemento dello spazio proiettivo, ossia $\Span(\hat x)$, dal momento che due vettori di $H_{n+1}$ appartengono alla stessa retta se e solo se
		sono linearmente dipendenti, ossia se sono uguali. \\
		
		Gli elementi di $\PP^n(\KK)$ che non contengono elementi di $H_{n+1}$ sono esattamente i sottospazi
		contenenti vettori la cui ultima coordinata è nulla. Pertanto questi elementi, detti \textbf{punti all'infinito}
		di $\PP^n(\KK)$, si possono identificare in particolare come elementi di $\PP^{n+1}(\KK)$. \\
	\end{remark}
	
	\begin{remark}
		Si può ricoprire $\PP^n(\KK)$ con iperpiani analoghi ad $H_{n+1}$, ossia con gli iperpiani della
		seguente forma:
		
		\[ T_i = \left\{ \Vector{x_1 \\ \vdots \\ x_{n+1}} \;\middle\vert\; x_i = 1 \right\}. \]
		
		\vskip 0.1in
		
		Ogni elemento di $\PP^n(\KK)$ interseca infatti almeno uno di questi iperpiani, dacché in esso deve
		esistervi obbligatoriamente un vettore non nullo. In particolare, se esiste un'intersezione tra $T_i$
		e un elemento di $\PP^n(\KK)$, questa è unica.  
	\end{remark}

	\hr
	
	\begin{theorem}
		Sia $E$ uno spazio affine sullo spazio $V$ di dimensione $n$. Allora
		valgono i seguenti due risultati.
		
		\begin{enumerate}[(i)]
			\item Se $f \in A(E)$ e i punti $P_1$, ..., $P_k$ sono affinemente
			indipendenti, allora anche i punti $f(P_1)$, ..., $f(P_k)$ sono
			affinemente indipendenti.
			
			\item Se i punti $P_1$, ..., $P_{n+1}$ sono affinemente indipendenti, e lo sono anche i punti $Q_1$, ..., $Q_{n+1}$,
			allora esiste un'unica affinità
			$f \in A(E)$ tale che $f(P_i) = Q_i$ $\forall 1 \leq i \leq n+1$. 
		\end{enumerate}
	\end{theorem}

	\begin{proof}
		Si dimostrano i due risultati separatamente.
		
		\begin{enumerate}[(i)]
			\item Poiché $f \in A(E)$, allora $g \in \GL(V)$, ed è
			dunque invertibile. Si considerino i vettori $f(P_i) - f(P_1) = g(P_i - P_1)$
			con $2 \leq i \leq k$. Dal momento che è invertibile,
			$g$ mappa vettori linearmente indipendenti a vettori
			ancora linearmente indipendenti.
			
			Allora, poiché i punti
			$P_1$, ..., $P_k$ sono affinemente indipendenti, i
			vettori $P_i - P_1$ sono linearmente indipendenti per
			$2 \leq i \leq k$. Pertanto anche i vettori $g(P_i - P_1) = f(P_i) - f(P_1)$ con $2 \leq i \leq k$ sono linearmente indipendenti, da cui si conclude che i punti $f(P_1)$, ...,
			$f(P_k)$ sono affinemente indipendenti.
			
			\item Dal momento che i punti $P_1$, ..., $P_{n+1}$ sono
			affinemente indipendenti, allora i vettori $P_i - P_1$ con
			$2 \leq i \leq n+1$ sono linearmente indipendenti, e formano
			dunque una base di $V$, essendo tanti quanti la dimensione
			di $V$. Analogamente anche i vettori $Q_i - Q_1$ con $2 \leq i \leq n+1$ formano una base di $V$.

			In particolare esiste una sola applicazione lineare $g$ che
			associa a $P_i - P_1$ il vettore $Q_i - Q_1$, con $2 \leq i \leq n+1$. Dacché le immagini formano una base di $V$, $g$ è suriettiva,
			e dunque, poiché $g \in \End(V)$, $g$ è anche invertibile.
			Un'affinità $f \in A(E)$ tale che $f(P_i) = Q_i$ con $1 \leq i \leq n+1$ è per esempio $f(P) = Q_1 + g(P - P_1)$. \\
			
			Si mostra che tale $f$ è anche unica. Se esistesse $f' \in A(E)$
			con le stesse proprietà di $f$, varrebbe che $Q_i - Q_1 = f'(P_i) - f'(P_1) =  g'(P_i - P_1)$ $\forall 2 \leq i \leq n+1$. Tuttavia
			una $g'$ tale che mappi $P_i - P_1$ a $Q_i - P_1$ $\forall 2 \leq i \leq n+1$ è unica, e quindi $g' = g$. Allora $f'(P) = Q_1 + g(P - P_1) = f(P)$ $\forall P \in E$ $\implies f' = f$.
		\end{enumerate}
	\end{proof}
\end{document}