Een klassieke stelling binnen de projectieve meetkunde is de stelling van Desar-gues. De stelling van Desargues luidt: het re¨ele projectieve vlak voldoet aan de Desargueseigenschap:
Desargueseigenschap Stel, abc en a0b0c0 zijn twee driehoeken in het vlak met a 6= a0, b 6= b0 en c 6= c0, en ab 6= a0b0, ac 6= a0c0 en bc 6= b0c0. Als de lijnen aa0, bb0 en cc0 concurrent zijn, dan zijn de punten ab ∩ a0b0, ac ∩ a0c0 en bc ∩ b0c0 collineair. p ` a b c a0 b0 c0
De Desargueseigenschap blijkt echter niet voor ieder projectief vlak te gelden. Een vlak dat aan de Desargueseigenschap voldoet noemen we een Desarguesvlak. Definitie 4.5.1. Zij p een punt en zij ` een lijn in het vlak P. We zeggen dat P een p-`-Desarguesvlak is als het volgende geldt: voor ieder tweetal driehoeken abc en a0b0c0 met a 6= a0, b 6= b0, c 6= c0, ab 6= a0b0, ac 6= a0c0 en bc 6= b0c0: als aa0, bb0 en cc0 lijnen door p en ab ∩ a0b0 en ac ∩ a0c0 punten op ` zijn, dan is bc ∩ b0c0 ook een punt op `.
Merk op dat deze definitie sterk lijkt op de definitie van de Desargueseigen-schap. We nemen nu echter het punt p en de lijn ` vast in plaats van dat we deze laten vari¨eren. We vinden dus dat P een Desarguesvlak is dan en slechts dan als P een p-`-Desarguesvlak is voor alle punten p en lijnen ` in het vlak.
Het blijkt dat de Desargueseigenschap nauw samenhangt met een eigenschap van de centrale collineaties van het vlak.
Stelling 4.5.2. Een projectief vlak is een p-`-Desarguesvlak dan en slechts dan als het vlak p-`-transitief is.
Ik zal van deze stelling alleen de implicatie ⇐= bewijzen. Het bewijs van de implicatie =⇒ bestaat uit het expliciet construeren van collineaties; dit bewijs is na te lezen in de boeken van Hughes & Piper [5, p. 108] en Stevenson [8, p. 172].
Bewijs. ( ⇐= ) Stel, abc en a0b0c0 zijn twee driehoeken zoals in definitie 4.5.1. Zij π de p-`-collineatie die a naar a0 stuurt. De punten a, b, ab ∩ a0b0 liggen op ´
e´en lijn, en dus liggen de punten a0, π(b), π(ab ∩ a0b0) = ab ∩ a0b0 op ´e´en lijn. Bovendien ligt π(b) op pb, en dus volgt dat π(b) = b0. Op analoge wijze volgt π(c) = c0. Nu zien we dat de lijn bc naar b0c0 wordt gestuurd, en dus moet snijpunt bc ∩ b0c0 invariant blijven onder π. Er geldt bc ∩ b0c06= p, want anders zouden b, b0, c, c0 op ´e´en lijn liggen, wat uitgesloten is vanwege bb0 6= cc0. Als bc ∩ b0c0 niet op ` ligt, dan volgt uit 2.3.9 dat π = id, maar dit kan niet want a 6= a0= π(a). We kunnen dus concluderen dat bc ∩ b0c0 op ` ligt, en dus is ons vlak een p-`-Desarguesvlak.
We vinden nu ook direct het volgende:
Gevolg 4.5.3. Een vlak is een Desarguesvlak dan en slechts dan als dit vlak p-`-transitief is voor alle punten p en lijnen ` in het vlak.
Gevolg 4.5.4. Ieder Desarguesvlak is een Moufangvlak.
We zien dus in het bijzonder dat de vlakke ternaire ringen bij Desargues-vlakken alternatieflichamen zijn. Bovendien geldt: als (P, OIXY ) een Desar-guesvlak is, dan is P X-OY -transitief, en dus volgt uit 4.3.2 dat de bijbehorende vlakke ternaire ring aan de associatieve wet (ab)c = a(bc) voldoet, en dus een delingsring moet zijn. Het omgekeerde blijkt ook waar.
Stelling 4.5.5. Een gepunt projectief vlak (P, OIXY ) is een Desarguesvlak dan en slechts dan als de bijbehorende VTR (R, T ) een delingsring is.
Bewijs. De implicatie =⇒ volgt uit 4.3.2 en 4.3.5.
Andersom: stel dat (R, T ) een delingsring is. Dan is (R, T ) ook een alterna-tieflichaam, en uit 4.4.10 volgt nu dat P een Moufangvlak is.
Zij p een punt en zij ` een lijn in het vlak. Als p ∈ `, dan volgt dat ons vlak p-`-transitief is; P is immers een Moufangvlak. Stel dat p /∈ `. Neem twee punten q, r op `. Dan is pqr een driehoek. Uit 2.4.11 volgt dat er een automorfisme π bestaat dat X, O, en Y respectievelijk naar p,q en r stuurt. Omdat uit 4.3.2 volgt dat het vlak X-OY -transitief is, volgt uit 2.4.2 dat het vlak ook p-qr-transitief, ofwel p-`-transitief is. We zien dat het vlak p-`-transitief is voor alle punten p en lijnen ` in het vlak, en dus volgt uit 4.5.3 dat P een Desarguesvlak is.
5 Papposvlakken en de stelling van Hessenberg
In dit hoofdstuk zullen we kennismaken met een tweede klassieke stelling bin-nen de projectieve meetkunde: de stelling van Pappos. In 1905 publiceerde Hessenberg een artikel waarin hij een (onvolledig) bewijs gaf dat vlakken die aan deze stelling voldoen ook voldoen aan de stelling van Desargues. In 1952 kwam Cronheim [3] met een volledig bewijs voor deze stelling. In deze scriptie wil ik een alternatief bewijs voor deze stelling geven. Dit bewijs zal gebruik maken van een nieuw soort afbeeldingen tussen lijnen in het projectieve vlak: de zogenaamde projecties en projectieve afbeeldingen.
We zullen eerst kijken naar verschillende soorten projectieve afbeeldingen tussen lijnen in het vlak, en vervolgens leiden we enkele eigenschappen van deze projectieve afbeeldingen af die gelden in Papposvlakken en in Desarguesvlakken. Ten slotte zullen we, om terug te komen op onze classificatie van projectieve vlakken, met behulp van deze eigenschappen afleiden dat de vlakke ternaire ringen bij Papposvlakken altijd lichamen zijn.
5.1 Projecties en projectieve afbeeldingen
Naast de eerder besproken automorfismen bestaat er nog een soort afbeeldingen binnen het projectieve vlak: de projecties. Dit zijn geen afbeeldingen die het gehele vlak permuteren, maar afbeeldingen die punten van ´e´en lijn naar de punten van een andere lijn sturen.
Definitie 5.1.1. Stel ` en m zijn twee lijnen in het vlak, en c is een punt buiten ` en m. Dan is de projectie van ` op m met centrum c de afbeelding ` → m, genoteerd als: `−→ m, die een punt p op ` naar het snijpunt van pc ∩ m stuurt.c
C
` m
Bovenstaande afbeelding is een voorbeeld van een projectie.
Propositie 5.1.2. Zij `−→ m een projectie. Dan is deze projectie bijectief, enc zijn inverse is de projectie m−→ `.c
We kunnen ons afvragen in hoeverre een projectie uniek is vastgelegd. De volgende propositie geeft antwoord op deze vraag.
Propositie 5.1.3. Stel, `, m zijn twee verschillende lijnen in het vlak met snijpunt s, en c1, c2 zijn twee punten buiten ` en m. Beschouw de projecties π1 : ` c1
−→ m en π2 : ` c2
−→ m. Stel, p, q zijn twee verschillende punten op `, verschillend van s. Als geldt π1(p) = π2(p) en π1(q) = π2(q) dan volgt π1= π2. M.a.w. een projectie van ` op m wordt uniek vastgelegd door de beelden van twee punten buiten het snijpunt ` ∩ m.
Bewijs. De projectie π1stuurt p naar π1(p) en dus moet het centrum c1op de lijn pπ1(p) liggen. Op analoge wijze ligt c1 op qπ2(q), en dus op het snijpunt pπ1(p) ∩ qπ2(q). Dit geldt ook voor c2, en dus volgt c1= c2 en π1= π2. Propositie 5.1.4. Stel, `, m zijn twee verschillende lijnen met snijpunt s, p en q zijn twee verschillende punten op `, buiten s, en p0en q0zijn twee verschillende punten op m, buiten s. Dan bestaat er een projectie π van ` op m met π(p) = p0 en π(q) = q0.
Bewijs. Neem c = pp0∩ qq0. De projectie π : `−→ m voldoet.c
Definitie 5.1.5. Een projectieve afbeelding is de samenstelling van ´e´en of meer projecties.
Als een projectieve afbeelding de samenstelling is van de projecties `1 c1
−→ `2, . . ., `n
cn
−→ `n+1, dan noteren we deze afbeelding als `1 c1
−→ `2 c2
−→ . . . cn
−→ `n+1.