Преобразование

Преобразова́ние

Одно из основных понятий математики, возникающее при изучении соответствий между классами геометрических объектов, классами функций и т.п. Например, при геометрических исследованиях часто приходится изменять все размеры фигур в одном и том же отношении, увеличивать радиусы кругов на одну и ту же величину, вообще сопоставлять фигурам какого-либо класса другие, получаемые из них по определённым правилам. При решении дифференциальных уравнений операционными методами (см. Операционное исчисление) заменяют данные функции другими, преобразованными функциями, и т.д. Такие соответствия и называются П. Точнее, преобразованием называется соответствие, в силу которого каждому элементу х некоторого множества Х сопоставляется вполне определённый элемент у некоторого другого множества Y. Логически понятие П. совпадает с понятиями Функция, Отображение, Оператор. Термин «П.» чаще употребляют в геометрии и функциональном анализе, при этом обычно считают соответствие между х и у = f (x) взаимно однозначным.

Геометрические преобразования. В геометрии чаще всего рассматриваются точечные П., при которых каждой точке некоторого многообразия (См. Многообразие) (линии, поверхности, пространства) ставится в соответствие другая точка того же многообразия. Иными словами, точечное П. является отображением многообразия на себя. При точечном П. каждая фигура (прообраз), рассматриваемая как совокупность точек, преобразуется в новую фигуру, называемую образом первоначальной. Если точечное П. взаимно однозначно, то можно определить обратное П. (см. Отображение). Точечное П. называется тождественным, если при нём образ каждой точки совпадает с прообразом. Если ограничиться для определённости точечными П. плоскости, то такие П. могут быть заданы аналитически формулами:

x' = f (х, у), y' = φq (х, у),

где х, у — координаты прообраза, а x’, y' — координаты образа в одной и той же системе координат.

Многие важные классы точечных П. образуют группу (См. Группа), т. е. вместе с любыми двумя П. содержат их произведение (результат последовательного применения), а вместе с каждым П. содержат обратное П. Наиболее важные примеры групп точечных П. плоскости таковы:

1) группа вращений плоскости вокруг начала координат:

x' = х cosα — у sinα,

y' = х sinα + у cosα,

где α — угол поворота.

2) Группа параллельных переносов, при которых все точки смещаются на один и тот же вектор ai + bj:

x' = х + а, y' = у + b.

3) Группа движений, состоящая из П., не изменяющих расстояния между точками и ориентации плоскости:

x' = х cosα — у sinα + a1,

y' = х sinα + у cosα + b1.

См. также Движение в геометрии.

4) Группа движений и зеркальных отражений, состоящая из П., не изменяющих расстояния между точками плоскости. Совокупность движений и зеркальных отражений, совмещающих некоторую фигуру с собой, называется группой симметрии этой фигуры. Эта группа определяет свойства симметрии фигуры. Например, группа симметрии правильного тетраэдра состоит из 4! = 24 П., переставляющих между собой его вершины.

5) Группа П. подобия, порождаемая П. движения, зеркального отражения и гомотетии (См. Гомотетия).

6) Группа аффинных П., состоящая из взаимно однозначных отображений плоскости на себя, при которых прямые переходят в прямые:

,

Если c1 = c2, то П. называется центро-аффинным, а если D = 1, то — экви-аффинным; экви-аффинные П. не изменяют площади фигур. См. также Аффинные преобразования.

7) Группа проективных П., состоящая из взаимно однозначных П. расширенной плоскости (дополненной бесконечно удалённой прямой), при которых прямые линии переходят в прямые:

,

Из этой записи видно, что прямая ах + by + с = 0 переходит при этом П. в бесконечно удалённую прямую. См. также Проективное преобразование.

8) Группа круговых П. (или П. обратными радиусами-векторами), порождаемая П. движения, зеркального отражения, подобия и инверсий (См. Инверсия). Если точки плоскости изобразить комплексными числами, то П. этой группы запишутся в виде:

или ,

где ω = x' + iy’, z = x + iy, = x — iy. Т. о., они совпадают с дробно-линейными преобразованиями (см. Дробно-линейные функции (См. Дробно-линейная функция)). П. этой группы обладают круговым свойством, т. е. переводят совокупность прямых и окружностей на плоскости в себя. Они обладают также свойством конформности (см. Конформное отображение). П. плоскости, обладающее круговым свойством, принадлежит всегда группе круговых П.

Группы 1—7 являются линейными группами, т.к. они переводят прямые линии в прямые. При этом группы 1 и 2 являются подгруппами группы 3, каждая следующая группа (4, 5, 6, 7) содержит в себе предыдущую как часть. Группы 1—6 можно охарактеризовать как совокупность проективных П., оставляющих неизменным некоторый образ на расширенной плоскости. Например, аффинные П. являются П., оставляющими на месте бесконечно удалённую прямую. Группа 8 является примером нелинейной группы, т.к. при П. этой группы прямые линии могут перейти в окружности. П. групп 1—8 являются бирациональными преобразованиями (См. Бирациональное преобразование), т. е. такими П., при которых x' и y' рационально выражаются через х и у и обратно.

Наряду с точечными П., при которых устанавливается соответствие между точками, в геометрии применяются П. фигур, при которых устанавливается соответствие между самими фигурами. Например, в некоторых задачах геометрии заменяют все окружности окружностями же, увеличивая их радиус на определённую величину. Этим определяется П. многообразия окружностей в себя. Рассматриваются также П., изменяющие природу элементов, т. е. переводящие точки в линии, линии в точки и т.д. Например, можно поставить в соответствие каждой точке М (х, у) прямую ux' + υy' = 1, где u и υ — некоторые функции от х и y. Если u и υ дробно-линейно зависят от x и y:

,

,

то имеет место общее проективное П. точек плоскости в прямые плоскости. Если при этом b1 = a2, c1 = -a, c2 = -b, то получается полярное П. относительно некоторой линии второго порядка (см. Полюсы и поляры). В частности, когда u = х и υ = у, получается полярное П. относительно окружности x2 + y2 = 1. При этом каждой точке на плоскости (х, у) соответствует прямая на плоскости (х’, у'). Кривой Г на плоскости (х, у) соответствует семейство прямых, касающихся некоторой кривой Г’ (или проходящих через одну и ту же точку). Этим устанавливается соответствие между кривыми плоскости (х, у), рассматриваемыми как множество своих точек, и кривыми плоскости (х’, у'), рассматриваемыми как огибающие (См. Огибающая) своих касательных. Более общими являются П., задаваемые формулой F (x, y, x’, y') = 0. Если задать x и y, то эта формула определяет некоторую кривую на плоскости (х’, у'), а если задать x' и y’, то определяется кривая на плоскости (х, у). Этим устанавливается соответствие точек одной плоскости двухпараметрическому множеству кривых другой плоскости. Указанное соответствие можно распространить до соответствия между кривыми одной плоскости, рассматриваемыми как множество своих точек, и кривыми другой плоскости, рассматриваемыми как огибающие соответствующего семейства кривых. При этом П. касающиеся друг друга кривые одной плоскости переходят в касающиеся друг друга кривые другой плоскости. Поэтому описанные П. называются контактными П., или П, прикосновения (см. Прикосновения преобразования).

Аналогично П. плоскости определяются П. многомерных (в частности, трёхмерных) пространств. Для каждой из разобранных выше групп П. плоскости имеется трёхмерный аналог, получающийся из неё увеличением числа преобразуемых переменных. Так, группе 1 соответствует группа ортогональных преобразований (См. Ортогональное преобразование), группе центро-аффинных П. — группа невырожденных линейных преобразований (См. Линейное преобразование) и т.д. Примером группы П. четырёхмерного пространства является группа Лоренца (см. Лоренца преобразования), играющая важную роль в теории относительности. П. многомерных пространств используются в анализе при вычислении кратных интегралов, так как позволяют свести заданную область интегрирования к более простой области.

Как для групп П. плоскости, так и для групп П. многомерных пространств можно определить понятие близости П., позволяющее образовать непрерывные группы П. (см. Непрерывная группа).

Для каждой из групп П. существуют свойства фигур, не изменяющиеся при П. соответствующей группы. Эти свойства являются, как говорят, инвариантами (См. Инварианты) относительно данной группы П. Так, при преобразованиях группы движений инвариантно расстояние между двумя точками, при аффинных П. — параллельность прямых, отношение площадей двух фигур, при проективных П. — двойное отношение AB/AD: CB/CD точек A, В, С, D, лежащих на одной прямой. Каждой группе П. соответствует своя область геометрических исследований, изучающая свойства фигур, остающихся инвариантными при П. этой группы (см. Эрлангенская программа). В соответствии с этим различают метрические свойства фигур, аффинные свойства, проективные свойства и т.д. Вообще говоря, чем шире группа, тем теснее связаны эти инвариантные свойства с фигурой. Наиболее общими являются свойства фигур, остающиеся инвариантными при любых топологических П. (т. е. любых взаимно однозначных и непрерывных П.). К ним относятся размерность, связность, ориентируемость (см. Топология).

Особенно важную роль играют П. при установлении новых и при обобщении ранее известных теорем. Если в формулировку некоторой теоремы, доказанной для фигуры F, входят лишь свойства фигуры, инвариантные относительно некоторой группы П., то теорема сохраняет свою силу для всех фигур, получаемых из F П. этой группы (как говорят, гомологичных или эквивалентных F относительно этой группы). Это свойство П. особенно важно, если среди эквивалентных между собой фигур имеется такая, которая обладает в некоторых отношениях наиболее простыми свойствами. Так, ряд теорем проективной геометрии был установлен впервые для окружности, а потом перенесён на любые невырожденные конические сечения (все невырожденные конические сечения эквивалентны окружности относительно группы проективных П.). При решении геометрических задач на построение часто используют П., для того чтобы привести фигуры в наиболее удобные для решения положения.

Преобразования функций. Существенное значение имеет также теория групп П. для теории аналитических функций. Там рассматриваются классы функций, не изменяющихся при П., образующих некоторую группу (см. Автоморфные функции (См. Автоморфная функция)).

Понятие П. играет важную роль и в функциональном анализе, где рассматриваются П. одного множества функций в другое. К таким П. относятся, например, Фурье преобразование, Лапласа преобразование и др. При этих П. каждой функции f ставится по определённому правилу в соответствие другая функция φ. Например, преобразование Фурье имеет вид:

.

Оно, как и преобразование Лапласа, относится к классу интегральных П., определяемых формулами вида:

.

В ряде случаев П. позволяют заменить операции над функциями более простыми операциями над их образами (например, дифференцирование — умножением на независимую переменную), что облегчает решение уравнений.

Многие уравнения можно записать в виде f = Af, где f — искомая функция, а А — символ П. В этом случае задача решения уравнения может быть истолкована как задача нахождения функции, не изменяющейся при П. Эта точка зрения, называемая принципом неподвижной точки, позволяет в ряде случаев устанавливать существование и единственность решения (см. Сжатых отображений принцип).

Лит.: Ефимов Н. В., Высшая геометрия, 5 изд., М., 1971; Клейн Ф., Высшая геометрия, пер. с нем., М. — Л., 1939; его же, Элементарная математика с точки зрения высшей. Лекции..., пер. с нем., 2 изд., т. 2, М. — Л., 1934; Адамар Ж., Элементарная геометрия, пер. с франц., 4 изд., ч, 1, М., 1957.