
数学において、射影空間の概念は、平行線が無限遠で交わるように見える遠近法の視覚効果に由来する。したがって、射影空間は、ユークリッド空間、あるいはより一般的には、平行線の各方向にそれぞれ1点ずつ無限遠点が存在するような、無限遠点を持つアフィン空間の拡張と見なすことができる。
この射影空間の定義には、等方性ではないという欠点があり、証明において別々に考慮しなければならない 2 種類の異なる点が存在する。そのため、一般的には他の定義が好まれる。定義には 2 つのクラスがある。総合幾何学では、点と線は、射影幾何学の公理に従う「点が線上にある」または「線が点を通る」という関係によって関連付けられる基本的実体である。そのような公理の集合によっては、定義される射影空間は、現代の教科書でより頻繁に見られる次の定義から得られる射影空間と等価であることが示される。
線形代数を用いると、次元nの射影空間は、次元n + 1のベクトル空間V内のベクトル直線(すなわち、次元 1 のベクトル部分空間)の集合として定義される。言い換えれば、それはV \ {0}を「同じベクトル直線上にある」という同値関係で割った商集合である。ベクトル直線はVの単位球と 2 つの対蹠点で交わるため、射影空間は対蹠点が同一視される球として等価に定義できる。次元 1 の射影空間は射影直線であり、次元 2 の射影空間は射影平面である。
射影空間は幾何学において広く用いられており、より簡潔な記述や証明を可能にする。例えば、アフィン幾何学では、平面上の2つの異なる直線は最大で1点で交わるが、射影幾何学では、ちょうど1点で交わる。また、円錐曲線は1種類しかなく、それは無限遠点との交点によってのみ区別される。双曲線は2つの交点を持ち、放物線は無限遠点に接する1つの交点を持ち、楕円は実数交点を持たない。

前述のように、射影空間は「同一平面上にある2本の直線はちょうど1点で交わり、直線が平行であればその点は無限遠にある」といった命題を形式化するために導入されました。このような命題は透視図法の研究から示唆されており、透視図法は3次元空間を平面に中心投影したものと考えることができます(ピンホールカメラモデルを参照)。より正確には、カメラの入射瞳または観察者の目の入射瞳が投影の中心であり、像は投影面上に形成されます。
数学的には、投影の中心は空間内の点O (図中の軸の交点) であり、投影面 (図中の青色のP 2 ) はOを通らない平面であり、デカルト座標を考える場合、方程式z = 1の平面が選ばれることが多い。中心投影では、点Pは直線OPと投影面の交点に写像される。このような交点は、点PがOを通りP 2に平行な平面 (図中の緑色のP 1 )に属さない場合に限り存在する。
したがって、 Oを通る直線は、互いに素な 2 つの部分集合に分割されます。1 つはP 1に含まれない直線で、 P 2の点と 1 対 1 で対応し、もう 1 つはP 1に含まれる直線で、 P 2の平行線の方向と 1 対 1 で対応します。このことから、射影平面の点(ここでは分かりやすくするために射影点と呼びます) をOを通る直線として定義することが考えられます。この平面の射影直線は、Oを通る平面に含まれるすべての射影点 (直線) から構成されます。O を通る 2 つの平面の交点は O を通る直線であるため、2つの異なる射影直線の交点は 1 つの射影点から構成されます。平面P 1は、P 2の無限遠直線 と呼ばれる射影直線を定義します。P 2の各点を対応する射影点と同一視することにより、射影平面はP 2と (射影) 無限遠直線の非交和であると言えます。
特異点Oを持つアフィン空間は、それに対応するベクトル空間と同一視できるため(「アフィン空間」§ 「アフィン空間としてのベクトル空間」を参照)、前述の構成は一般にベクトル空間から開始して行われ、射影化と呼ばれます。また、任意の正次元のベクトル空間から開始して構成することも可能です。
したがって、 n次元の射影空間は、n +1次元のベクトル空間におけるベクトル線(1次元のベクトル部分空間)の集合として定義できる。また、射影空間は、このベクトル線の集合と自然に対応する任意の集合の要素としても定義できる。
この集合は、「一方のベクトルが他方のベクトルにゼロ以外のスカラーを掛けたものである」という同値関係に基づくベクトル間の同値類の集合である。言い換えれば、これは射影空間を、ゼロベクトルを除去したベクトル直線の集合として定義することに等しい。
3つ目の同等の定義は、次元nの射影空間を、次元nの球面(次元n +1の空間内)における対蹠点のペアの集合として定義することである。
体K上のベクトル空間Vが与えられたとき、射影空間P ( V )は、Kの非零元λが存在してx = λyとなる場合にx ~ yと定義される同値関係~の下でのV \ {0}の同値類の集合である。Vが位相ベクトル空間である場合、商空間P ( V )は、 V \ {0}の部分空間位相の商位相を備えた位相空間である。これは、 Kが実数体Rまたは複素数体Cの場合である。V が有限次元である場合、 P ( V )の次元はVの次元から1 を引いたものである。
V = K n +1の一般的な場合、射影空間P ( V )はP n ( K )と表記されます( K P nまたはP n ( K )とも表記されますが、この表記は指数表記と混同される可能性があります)。空間P n ( K )は、 K上のn次元の射影空間、または射影n空間と呼ばれることがよくあります。これは、 n次元のすべての射影空間がこれと同型であるためです ( n + 1次元のすべてのKベクトル空間がK n +1と同型であるため)。
射影空間P ( V )の要素は一般に点と呼ばれます。Vの基底が選択されている場合、特に V = K n +1 の場合、点Pの射影座標は、対応する同値類の任意の要素の基底上の座標です。これらの座標は一般に[ x 0 : ... : x n ]と表記され、コロンと括弧は通常の座標と区別し、これが非ゼロ定数による乗算を除いて定義される同値類であることを強調するために使用されます。つまり、[ x 0 : ... : x n ]が点の射影座標である場合、Kの任意の非ゼロλに対して、 [ λx 0 : ... : λx n ]も同じ点の射影座標です。また、上記の定義は、[ x 0 : ... : x n ]が点の射影座標であるのは、少なくとも 1 つの座標がゼロでない場合のみであることを意味します。
Kが実数体または複素数体である場合、射影空間はそれぞれ実射影空間または複素射影空間と呼ばれます。nが1または2の場合、n次元の射影空間はそれぞれ射影直線または射影平面と呼ばれます。複素射影直線はリーマン球面とも呼ばれます。
これらの定義はすべて、 Kが可除環の場合にも自然に拡張されます。例えば、四元数射影空間を参照してください。表記PG( n , K )は、 P n ( K )に対して使用されることがあります。[ 1 ] K がq個の要素を持つ有限体の場合、P n ( K )はしばしばPG( n , q )と表記されます ( PG(3,2)を参照)。[ a ]
P ( V )を射影空間とし、Vは体K上のベクトル空間である。 は、非ゼロベクトルvをその同値類(vを含むベクトル線)に写像する標準写像 とする。
Vのすべての線形部分空間Wは直線の和集合である。したがって、p ( W )は射影空間であり、 P ( W )と同一視できる。
射影部分空間とは、 P ( V )を定義する同値関係を線形部分空間に制限することによって得られる射影空間である。
p ( v )とp ( w )がP ( V )上の異なる2点である場合、ベクトルvとwは線形独立である。したがって、次のことが成り立つ。
射影直線が原始的な対象である合成幾何学では、最初の性質は公理であり、2番目の性質は射影部分空間の定義である。
射影部分空間の交わりはすべて射影部分空間である。したがって、射影空間の任意の部分集合Sに対して、 Sを含む最小の射影部分空間、すなわちSを含むすべての射影部分空間の交わりが存在する。この射影部分空間をSの射影スパンと呼び、Sはそのスパン集合である。
点の集合Sは、そのスパンがSのどの真部分集合のスパンとも一致しない場合、射影的に独立である。Sが射影空間Pのスパン集合である場合、 Pをスパンし、かつ射影的に独立なSの部分集合が存在する(これはベクトル空間の場合と同様の定理から導かれる)。P の次元がnの場合、このような独立なスパン集合はn + 1個の要素を持つ。
ベクトル空間やアフィン空間の場合とは異なり、座標を定義するには独立な生成集合だけでは不十分です。もう1点必要になります。詳細は次のセクションを参照してください。
射影フレームまたは射影基底は、座標を定義できる射影空間内の順序付けられた点の集合です。[ 2 ]より正確には、n次元射影空間では、射影フレームは、 n + 2個の点のタプルであり、それらの任意のn + 1個は独立です。つまり、それらは超平面に含まれません。
Vが( n + 1)次元ベクトル空間であり、pがVからP ( V )への正準射影である場合、( p ( e 0 ), ..., p ( e n +1 ))は、 ( e 0 , ..., e n )がVの基底であり、この基底上のe n +1の係数がすべてゼロでない場合のみ射影フレームとなります。最初のn個のベクトルを再スケーリングすることにより、任意のフレームは、e ′ n +1 = e ′ 0 + ... + e ′ nとなるように( p ( e ′ 0 ), ..., p( e ′ n +1 ))と書き換えることができます。この表現は、すべてのe ′ iに共通のゼロでない因子を掛けることを除いて一意です。
フレーム( p ( e 0 ), ..., p ( e n +1 ))上の点p ( v )の射影座標または同次座標( e n +1 = e 0 + ... + e n )は、基底( e 0 , ..., e n )上のvの座標です。これらは、共通の非ゼロ係数によるスケーリングを除いてのみ定義されます。
射影空間P n ( K )の正準フレームは、 K n +1の正準基底の要素(つまり、 1 つの非ゼロ要素 (1 に等しい) のみを持つタプル) のpによる像と、それらの和のpによる像から構成されます。
数学において、射影幾何学とは、射影変換に関して不変な幾何学的性質を研究する分野です。つまり、初等ユークリッド幾何学と比較して、射影幾何学は異なる設定(射影空間)と、厳選された基本的な幾何学的概念を持ちます。基本的な直観としては、射影空間は、与えられた次元において、ユークリッド空間よりも多くの点を持ち、余分な点(「無限遠点」と呼ばれる)をユークリッド点に変換する幾何学的変換、およびその逆の変換が許容されるということです。
射影幾何学にとって意味のある性質は、この新しい変換の概念によって尊重されます。この変換は、変換行列と平行移動(アフィン変換)で表現できるものよりも、その効果においてより根本的です。幾何学者にとって最初の問題は、新しい状況に適した幾何学の種類です。ユークリッド幾何学とは異なり、射影幾何学では角度の概念は適用されません。なぜなら、角度の尺度は、視点が変化する透視図に見られるように、射影変換に対して不変ではないからです。射影幾何学の源泉の一つは、確かに透視理論でした。初等幾何学とのもう一つの違いは、平行線が無限遠点で交わるという概念を射影幾何学の用語に翻訳すると、そのように言えることです。この概念もまた、透視図で鉄道の線路が地平線で交わるなど、直感的な根拠があります。2次元の射影幾何学の基本については、「射影平面」を参照してください。
射影幾何学の考え方自体は以前から存在していたものの、その発展は主に19世紀に起こった。これには複素射影空間の理論が含まれ、使用される座標(同次座標)は複素数である。より抽象的な数学の主要な分野(不変式論、イタリア代数幾何学学派、古典群の研究につながったフェリックス・クラインのエアランゲン計画など)のいくつかは、射影幾何学に触発されたものである。また、総合幾何学のように、それ自体を目的として研究する研究者も多くいた。射影幾何学の公理的研究から発展したもう一つの分野は有限幾何学である。
射影幾何学という分野自体が、現在では多くの研究分野に分かれており、その例として射影代数幾何学(射影多様体の研究)と射影微分幾何学(射影変換の微分不変量の研究)が挙げられる。
射影幾何学において、ホモグラフィは、射影空間の同型写像であり、射影空間が由来するベクトル空間の同型写像によって誘導される。 [ 3 ]これは直線を直線に写像する全単射であり、したがって共線写像である。一般に、共線写像の中にはホモグラフィではないものもあるが、射影幾何学の基本定理は、次元が2以上の実射影空間の場合はそうではないと主張している。同義語には、射影性、射影変換、射影共線写像などがある。
歴史的に、ホモグラフィー(および射影空間)は、ユークリッド幾何学における透視と射影を研究するために導入され、語源的には「類似の描画」を大まかに意味するホモグラフィーという用語は、この時代に由来します。19 世紀末には、射影空間の形式的な定義が導入され、無限遠点と呼ばれる新しい点を追加することで、ユークリッド空間とアフィン空間が拡張されました。「射影変換」という用語は、これらの抽象的な構成から生まれました。これらの構成は、同等であることが示された 2 つのクラスに分かれます。射影空間は、与えられた体上のベクトル空間の直線の集合として構成できます(上記の定義はこのバージョンに基づいています)。この構成により、射影座標の定義が容易になり、線形代数のツールをホモグラフィーの研究に使用できます。別のアプローチは、明示的にどの体も含まない一連の公理によって射影空間を定義することです (接続幾何学、合成幾何学も参照)。この文脈では、共線関係は同形関係よりも定義しやすく、同形関係は特定の共線関係として定義されるため、「射影共線関係」と呼ばれます。
簡潔にするため、特に断りのない限り、本稿で扱う射影空間は(可換)体上で定義されているものとする。同様に、パップスの六角形定理とデサルグの定理が成り立つものと仮定する。これらの定理が成り立たない射影幾何学においても、結果の大部分は依然として成り立つか、あるいは一般化できる。
射影空間とは、有限次元実ベクトル空間の位相の商位相を備えた位相空間である。
ノルムベクトル空間Vにおける単位球面をSとし、関数を考える。 S の点を、その点を通るベクトル線に写像する関数。この関数は連続かつ全射である。P ( V )の各点の逆像は、2つの対蹠点からなる。球はコンパクト空間であるため、次のことが成り立つ。
Sの任意の点Pに対して、 πをPの近傍に制限すると、その像への同相写像となる。ただし、近傍は対蹠点のペアを含まないほど十分に小さいものとする。このことから、射影空間は多様体であることがわかる。簡単な図表を以下のように示すことができる。
Vの基底が選択されるとすぐに、任意のベクトルを基底上の座標と同一視でき、P ( V )の任意の点を同次座標と同一視できます。i = 0, ..., nの場合、集合は はP ( V ) の開部分集合であり、 P ( V ) のすべての点は少なくとも1つの非ゼロ座標を持つため。
各U iには、同相写像であるチャートが関連付けられています。 そのため ここで「hats」は、対応する用語が欠落していることを意味します。

これらの図表は地図帳を形成し、遷移写像は解析関数であるため、射影空間は解析多様体であるという結果になる。
例えば、 n = 1の場合、つまり射影直線の場合、 U iは 2 つしかなく、それぞれ実数直線のコピーと同一視できます。どちらの直線でも、2 つのチャートの交点は非ゼロの実数の集合であり、遷移マップは 両方向において。この図は、対蹠点が特定された円として射影直線を表し、実数直線から射影直線への2つの同相写像を示しています。対蹠点が特定されるにつれて、各直線の像は開いた半円として表され、これは1点を取り除いた射影直線と同一視できます。
実射影空間は単純なCW複素構造を持ち、P n ( R )は商射影S n −1 → P n −1 ( R )を付加写像としてnセルを付加することによりP n −1 ( R )から得られる。
もともと、代数幾何学は多変数多項式の集合の共通零点の研究でした。これらの共通零点は代数多様体と呼ばれ、アフィン空間に属します。実数係数の場合、正確な結果を得るためにはすべての複素零点を考慮する必要があることがすぐに明らかになりました。たとえば、代数学の基本定理は、次数nの単変数平方フリー多項式はちょうどn 個の複素根を持つと主張しています。多変数の場合も複素零点を考慮する必要がありますが、それだけでは十分ではありません。無限大の零点も考慮する必要があります。たとえば、ベズーの定理は、射影平面で複素点を考慮し、重複度で点を数えると、次数がそれぞれdとeの 2 つの平面代数曲線の交点はちょうどde個の点から構成されると主張しています。 [ b ]もう 1 つの例は、複素射影平面での特異点から平面代数曲線の種数を計算できる種数-次数公式です。
射影多様体とは、射影空間内の点の集合であり、その同次座標は一連の同次多項式の共通零点である。[ c ]
任意のアフィン多様体は、定義多項式を均質化し、均質化変数に関して飽和させることによって、無限遠点における点を追加することにより、一意的な方法で射影多様体に完成させることができる。
射影空間と射影多様体の重要な性質の一つは、代数多様体の射による射影多様体の像がザリスキー位相において閉じている(すなわち、代数集合である)ということである。これは、実射影空間と複素射影空間のコンパクト性をあらゆる基礎体へと一般化したものである。
射影空間はそれ自体が射影多様体であり、零多項式の零点の集合である。
20世紀後半にアレクサンダー・グロタンディークによって導入されたスキーム理論は、多様体がR nの開集合を貼り合わせて構築されるのと同様に、アフィン スキームと呼ばれるより小さな断片を貼り合わせることによって、スキームと呼ばれる代数多様体の一般化を定義することを可能にする。Proj 構成は、射影空間のスキーム、より一般的には任意の射影多様体のスキームを、アフィン スキームを貼り合わせて構築することである。射影空間の場合、これらのアフィン スキームとして、多様体としての射影空間の上記の記述のチャート (アフィン空間) に関連付けられたアフィン スキームを取ることができる。
合成幾何学では、射影空間S は、集合P (点の集合) と、Pの部分集合の集合L (直線の集合) とともに、以下の公理を満たすものとして公理的に定義できます。[ 4 ]
最後の公理は、射影空間の非交和と、異なる射影空間内の任意の2点を結ぶ2点直線として記述できるような、還元可能なケースを排除します。より抽象的に言えば、点の集合P、直線の集合L、およびどの点がどの直線上にあるかを示す接続関係Iからなる接続構造( P , L , I )として定義できます。
これらの公理によって定義される構造は、上記のベクトル空間構成から得られる構造よりも一般的です。射影次元が少なくとも 3 であれば、ヴェブレン・ヤングの定理により、違いはありません。しかし、2 次元の場合、ベクトル空間 (または可除環上の加群) から構成できないこれらの公理を満たす例があります。これらの例はデザルグの定理を満たさず、非デザルグ平面として知られています。1 次元では、少なくとも 3 つの要素を持つ任意の集合が公理を満たすため、公理的に定義された射影直線に追加の構造を仮定するのが一般的です。[ 5 ]
射影空間を定義する公理を追加または修正することで、低次元における厄介なケースを回避することが可能です。コクセター(1969年、 231ページ)は、バッハマンによるそのような拡張を示しています。[ 6 ]次元が少なくとも2であることを保証するには、上記の1行あたり3点の公理を次のように置き換えます。
非デザルグ平面を避けるため、パップスの定理を公理として含める。[ e ]
また、ベクトル空間が偶数特性を持たない体上で定義されることを保証するために、ファノの公理を含める。[ f ]
射影空間の部分空間とは、X の部分集合であり、Xの2点を含む任意の直線はXの部分集合である(つまり、Xに完全に含まれる)。完全空間と空空間は常に部分空間である。
空間の幾何学的次元は、 nが、この形式の部分空間の厳密に昇順の連鎖が存在する最大の数である場合に nであると言われる。
このような連鎖における部分空間X i は、(幾何学的)次元iを持つと言われます。次元 0 の部分空間は点、次元 1 の部分空間は線などと呼ばれます。空間全体の次元がnである場合、次元n − 1の任意の部分空間は超平面と呼ばれます。
射影空間は、束理論の観点から同等の定式化が可能である。射影空間とジオモジュラー束、すなわち、準直既約、コンパクト生成、補元、モジュラー束の間には全単射対応が存在する。[ 7 ]

有限射影空間とは、 Pが有限個の点の集合である射影空間のことです。任意の有限射影空間では、各直線には同じ数の点があり、空間の位数はこの共通の数より 1 少ない数として定義されます。次元が 3 以上の有限射影空間の場合、ウェダーバーンの定理によれば、射影空間が定義される除法環は、位数 (つまり要素の数) がq (素数のべき乗) である有限体GF( q )でなければなりません。このような有限体上で定義される有限射影空間は、直線上にq + 1個の点を持つため、位数の 2 つの概念は一致します。表記上、PG( n , GF( q ))は通常PG( n , q )と書きます。
同じ位数の有限体はすべて同型であるため、同型を除いて、与えられた有限体上の3次元以上の各次元に対して、有限射影空間は1つしか存在しない。ただし、2次元では非デサルグ平面が存在する。同型を除いて、
それぞれ次数 2、3、4、...、10 の有限射影平面。これを超える数は計算が非常に難しく、ブルック・ライザーの定理によるいくつかのゼロ値を除いて決定されていません。
最小の射影平面はファノ平面PG(2, 2)であり、7つの点と7つの線から構成される。最小の3次元射影空間はPG(3, 2)であり、15の点、35の線、15の平面から構成される。
同一体K上の2 つのベクトル空間VとWの間の単射線形写像T ∈ L ( V , W )は、対応する射影空間P ( V ) → P ( W )の写像を次のように誘導します。
ここで、vはVの非零要素であり、[...] はそれぞれの射影空間の定義によるベクトルの同値類を表します。同値類の要素はスカラー係数だけ異なり、線形写像はスカラー係数を保存するため、この誘導写像はwell-definedです。(Tが単射でない場合、{0}より大きい零空間を持ちます。この場合、 vが非零で零空間にあるとすると、 T ( v )のクラスの意味が問題になります。この場合、いわゆる有理写像が得られます。双有理幾何学も参照してください。)
L ( V , W )の2 つの線形写像SとTがP ( V )とP ( W )の間に同じ写像を誘導するのは、それらがスカラー倍だけ異なる場合、つまり、あるλ ≠ 0に対してT = λSである場合に限る。したがって、恒等写像のスカラー倍を基礎となる体Kと同一視すると、 P ( V )からP ( W )へのK線形射の集合は単にP ( L ( V , W ))となる。
自己同型写像 P ( V ) → P ( V )は、より具体的に記述できます。(ここでは、基底体Kを保存する自己同型写像のみを扱います。)大域切断によって生成される層の概念を用いると、任意の代数的(必ずしも線形ではない)自己同型写像は線形でなければならない、つまり、ベクトル空間Vの(線形)自己同型写像から生じることが示されます。後者は群GL( V )を形成します。スカラーだけ異なる写像を同一視することで、次の結論が得られます。
GL( V )の単位行列のスカラー倍である行列を法とする商群。(これらの行列は Aut( V ) の中心を形成します。)群PGLは射影線形群と呼ばれます。複素射影直線P 1 ( C )の自己同型はメビウス変換と呼ばれます。
上記の構成をVではなく双対空間V ∗に適用すると、双対射影空間が得られ、これはVの原点を通る超平面の空間と正準的に同一視できます。つまり、Vがn次元の場合、P ( V ∗ )はV内のn − 1 個の平面のグラスマン多様体です。
代数幾何学において、この構成法は射影束の構成においてより大きな柔軟性をもたらします。局所的に自由な層だけでなく、スキームY上のすべての準連接層Eに射影空間を対応付けることができるようにしたいものです。詳細はEGA II 、第 II 章、第 4 節を参照してください。
セヴェリ・ブラウアー多様体は体K上の代数多様体であり、基底体Kを拡張すると射影空間と同型になる。
射影空間のもう一つの一般化は重み付き射影空間であり、これらはそれ自体がトーリック多様体の特殊な場合である。[ 8 ]