Affine Ebene
Eine affine Ebene ist in der synthetischen Geometrie eine Punkte und Geraden umfassende Inzidenzstruktur, die im Wesentlichen durch zwei Forderungen charakterisiert ist, nÀmlich dass je zwei Punkte eine (eindeutige) Verbindungsgerade besitzen und dass es eindeutige parallele Geraden gibt. In der linearen Algebra und der analytischen Geometrie wird ein zwei-dimensionaler affiner Raum als affine Ebene bezeichnet. Der im vorliegenden Artikel beschriebene Begriff der synthetischen Geometrie verallgemeinert diesen bekannteren Begriff aus der linearen Algebra.
Eine affine Ebene, die nur endlich viele Punkte enthĂ€lt, wird als endliche affine Ebene bezeichnet und als solche auch in der endlichen Geometrie untersucht. Besonders fĂŒr diese Ebenen ist der Begriff Ordnung der Ebene wichtig: Sie ist definiert als die Anzahl der Punkte auf einer und damit jeder Geraden der Ebene.
Jede affine Ebene lĂ€sst sich durch EinfĂŒhrung uneigentlicher Punkte und einer aus diesen bestehenden uneigentlichen Geraden zu einer projektiven Ebene erweitern. Umgekehrt entsteht aus einer projektiven Ebene durch Entfernung einer Geraden mit ihren Punkten eine affine Ebene. â Siehe auch projektives Koordinatensystem.
Jede affine Ebene kann durch die Zuordnung eines Koordinatenbereichs koordinatisiert und durch zusĂ€tzliche VerknĂŒpfungen, die sich aus den geometrischen Eigenschaften der Ebene in diesem Koordinatenbereich ergeben, algebraisiert werden. Eine affine Ebene im Sinne der linearen Algebra, also ein affiner Raum, dessen Vektorraum der Parallelverschiebungen ein zwei-dimensionaler Vektorraum ĂŒber einem Körper ist, ergibt sich genau dann, wenn der Koordinatenbereich durch die geometrische Struktur isomorph zu ebendiesem Körper wird. Diese Beschreibung der affinen Ebene mit Hilfe eines Koordinatenbereichs, bei dem der algebraische Begriff Körper verallgemeinert wird, und ein Ăberblick ĂŒber die Strukturen, die sich bei GĂŒltigkeit wichtiger SchlieĂungssĂ€tze ergeben, findet sich im Hauptartikel TernĂ€rkörper.
Andererseits kann man die Gruppe der Parallelverschiebungen in einer affinen Ebene untersuchen, was zu einer anderen Algebraisierung fĂŒhrt, bei der der Begriff Parallelverschiebung, der in der linearen Algebra durch einen Vektor beschrieben werden kann, zum Begriff der Translation fĂŒhrt. Dieser Zugang, der den koordinatenbezogenen Zugang ergĂ€nzt, wird im Hauptartikel Affine Translationsebene beschrieben.
Definitionen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Eine Inzidenzstruktur , die aus einem Punktraum , einem Geradenraum und einer Inzidenzrelation zwischen diesen besteht, ist genau dann eine affine Ebene, wenn die folgenden Axiome gelten:
- Zwei verschiedene Punkte aus liegen auf genau einer Geraden aus .
- Es gilt das Parallelenpostulat, das heiĂt, es gibt zu jeder Geraden und zu jedem Punkt , der nicht auf liegt, genau eine weitere Gerade , die enthĂ€lt und keinen Punkt von enthĂ€lt.
- Es gibt drei verschiedene Punkte aus (ein âDreieckâ), die nicht alle auf einer Geraden aus liegen.
Formalisiert lassen sich die drei Axiome notieren als:
- ,
- .
ParallelitÀt
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Relation (ParallelitÀt) zwischen Geraden wird definiert durch:
- genau dann, wenn oder wenn und keinen Schnittpunkt gemeinsam haben.
Die nach dem 2. Axiom eindeutig bestimmte Gerade die durch einen bestimmten Punkt geht, wird als die Parallele zu durch bezeichnet und als notiert.
Diese Relation ist eine Ăquivalenzrelation. Die Ăquivalenzklasse der zu einer Geraden parallelen Geraden wird als Parallelenschar und auch als die Richtung von bezeichnet.
Sprechweisen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Die nach dem 1. Axiom eindeutig bestimmte Gerade , auf der zwei verschiedene Punkte liegen, wird als Verbindungsgerade der Punkte bezeichnet und als , manchmal auch als notiert.
- Die Parallelenschar einer Geraden wird als notiert.
- Die durch eine Gerade und einen beliebigen Punkt eindeutig bestimmte Gerade wird als die Parallele zu durch bezeichnet und als notiert.
Der herkömmliche Standpunkt, bei dem die Punktemenge und die Geradenmenge als zunÀchst unabhÀngige Mengen aufgefasst wurden, wird auch in der aktuelleren mathematischen Literatur noch öfter zugrunde gelegt. In diesem Zusammenhang wird dann die Menge der Punkte, die auf einer Geraden liegen, als Punktmenge der Geraden bezeichnet und hÀufig als notiert.
Da eine Gerade aber durch die Inzidenzrelation vollstĂ€ndig bestimmt ist, wird sie auch oft mit dieser Punktmenge identifiziert, womit die Relation ĂŒberflĂŒssig ist. Die Axiome werden dann als Eigenschaften der Geradenmenge , die eine Teilmenge der Potenzmenge der Punktmenge ist, beschrieben, die Rolle der Inzidenzrelation ĂŒbernimmt dann die Elementrelation: ( genau dann, wenn ist).
Ordnung der affinen Ebene
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Ordnung einer affinen Ebene wird definiert als die MÀchtigkeit der Punktmenge auf einer Geraden . Der Begriff ist unabhÀngig von der Geraden , weil alle Geraden einer affinen Ebene (als Punktmengen) gleichmÀchtig sind, da zwei verschiedene Geraden immer durch eine bijektive Parallelprojektion aufeinander abgebildet werden können. Es gilt:
- Eine affine Ebene ist genau dann endlich, das heiĂt, sie enthĂ€lt nur endlich viele Punkte, wenn ihre Ordnung endlich ist.
- Ist in diesem Fall die Ordnung der Ebene, dann enthÀlt sie Punkte, Geraden, Parallelenscharen und jede Parallelenschar enthÀlt Geraden.
- EnthĂ€lt die affine Ebene unendlich viele Punkte, dann ist sie als Punktmenge zur Punktmenge jeder ihrer Geraden und zu jeder ihrer Parallelenscharen gleichmĂ€chtig. Die Anzahl ihrer Geraden und ihrer Parallelenscharen hat ebenfalls die MĂ€chtigkeit der Ebene. â Siehe Cantors erstes Diagonalargument.
- projektive Ebenen
Jeder affinen Ebene lĂ€sst sich durch projektives AbschlieĂen, das heiĂt durch HinzufĂŒgen einer âuneigentlichen Geradenâ samt deren Punkten (als Fernelemente der affinen Ebene), eine bis auf Isomorphie eindeutige projektive Ebene zuordnen. Jede projektive Ebene kann so erzeugt werden. Man ĂŒbertrĂ€gt den Begriff der Ordnung auf den projektiven Abschluss: Die projektive Ebene hat die Ordnung einer beliebigen affinen Ebene, als deren projektiver Abschluss sie konstruiert werden kann. Diese affinen Ebenen mĂŒssen nicht isomorph sein, aber sie haben stets dieselbe Ordnung. Ist diese Ordnung gleich der endlichen Zahl , dann hat die projektive Ebene Punkte und ebenso viele Geraden, auf jeder Geraden liegen genau Punkte und durch jeden Punkt gehen genau Geraden.
Endliche Ebenen und offene Fragen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Alle derzeit bekannten endlichen affinen Ebenen haben eine Primzahlpotenz als Ordnung und fĂŒr jede Primzahlpotenz existieren affine Ebenen mit dieser Ordnung (Stand: 2013). Welche Zahlen als Ordnungen affiner Ebenen vorkommen ist ein ungelöstes Problem. Aus dem Satz von Bruck und Ryser ergibt sich eine Nichtexistenzaussage fĂŒr Ebenen mit bestimmten Ordnungen: Z. B. sind die Zahlen 6, 14, 21, 22, 30, 33, 38, 42, ⊠nicht Ordnungen affiner Ebenen. Die Ordnung 10 konnte durch massiven Computereinsatz ausgeschlossen werden. 12 ist die kleinste Zahl, fĂŒr die die Existenzfrage ungelöst ist.
- Ist jede affine Ebene von Primzahlordnung desarguessch? Das ist ein ungelöstes Problem.
- Ist die Ordnung jeder affinen Ebene eine Primzahlpotenz? Auch diese Frage ist noch nicht geklÀrt.
â In der Regel konzentriert sich die Untersuchung endlicher Ebenen auf deren projektiven Abschluss, die endlichen projektiven Ebenen. Einen Ăberblick ĂŒber die ZusammenhĂ€nge zwischen affinen Ebenen und deren projektivem Abschluss gibt der Artikel TernĂ€rkörper. Beispiele fĂŒr und Strukturaussagen ĂŒber nichtdesarguessche projektive Ebenen finden sich im Artikel Klassifikation projektiver Ebenen.
Beispiele
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- Der zweidimensionale Vektorraum ĂŒber den reellen Zahlen, wobei gilt, alle eindimensionalen affinen UnterrĂ€ume umfasst und die Inzidenzrelation durch die Enthaltensrelation gegeben ist.
- Ebenso der zweidimensionale Vektorraum ĂŒber einem beliebigen Körper (oder auch: Schiefkörper) . Jede affine Ebene, in der der Satz von Desargues gilt, ist isomorph zu einer affinen Ebene ĂŒber einem Schiefkörper . Gilt in dieser Ebene dazu noch der Satz von Pappos (auch âSatz von Pappus-Pascalâ), so ist der Schiefkörper ein Körper (mit kommutativer Multiplikation).
Von besonderem Interesse haben sich die nichtdesarguesschen Ebenen erwiesen, in denen der Satz von Desargues nicht gilt. In ihnen hat man Koordinaten aus TernĂ€rkörpern eingefĂŒhrt, speziell aus Quasikörpern (auch Veblen-Wedderburn-Systeme genannt, mit nichtassoziativer Multiplikation) bzw. Fastkörpern (in denen von den beiden Distributivgesetzen nur eins gilt).
- Im Fall erhÀlt man die kleinste affine Ebene. Sie besteht aus vier Punkten.
- Es gibt affine Ebenen mit endlich vielen, etwa n Punkten auf einer (und dann jeder) Geraden. Sie heiĂen von n-ter Ordnung oder auch von der Ordnung n. Zu jeder Primzahlpotenz q gibt es affine Ebenen der Ordnung q. Ob es affine Ebenen gibt, deren Ordnung keine Primzahlpotenz ist, ist ein ungelöstes Problem. Ein Teilresultat ist gegeben durch den Satz von Bruck und Ryser.
Dieser sagt folgendes aus: LĂ€sst n bei Division durch 4 den Rest 1 oder 2 und ist n Ordnung einer affinen Ebene, so ist n Summe zweier Quadrate natĂŒrlicher Zahlen. Beispiele: 6 ist nicht Ordnung einer affinen Ebene. 10 ist nach dem Satz nicht ausgeschlossen.
Mit groĂem Computereinsatz wurde jedoch die Nichtexistenz einer affinen Ebene der Ordnung 10 gezeigt. Ungelöst ist die Existenzfrage z. B. fĂŒr die Ordnungen 12, 15, 18, 20, 26, 34, 45, âŠ, und ausgeschlossen ist die Existenz fĂŒr n = 14, 21, 22, 30, 33, 38, 42, 46, âŠ
- Die Abbildungen unten zeigen das Minimalmodell einer affinen Ebene (links) und seine projektive Erweiterung, das Minimalmodell einer projektiven Ebene.
| kleinstes Modell einer affinen Ebene () | wird zu , der projektiven Fano-Ebene, durch Hinzunahme einer Geraden {5,6,7} erweitert |
Verallgemeinerungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Die affine Ebene ist der zweidimensionale Spezialfall einer affinen Geometrie.
- Endliche affine Ebenen zÀhlen zu den Netzen. Eine affine Ebene der Ordnung n ist ein -Netz.
- Noch allgemeiner zÀhlen die endlichen affinen Ebenen wie alle Netze zu den BlockplÀnen und damit zu den endlichen Inzidenzstrukturen. Eine affine Ebene der Ordnung n ist ein -Blockplan. Als Inzidenzstruktur hat eine endliche affine Ebene den Typ .
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- GĂŒnter Pickert: Projektive Ebenen. 2. Auflage. Springer, Berlin u. a. 1975, ISBN 3-540-07280-2.
- Olaf Tamschke: Projektive Geometrie I. 829/829a : BI-Hochschulskripten, 1968.
- Daniel R. Hughes, Fred C. Piper: Projective Planes. Springer, Berlin u. a. 1973, ISBN 3-540-90044-6.