1. Die Gruppe der rationalen Umformungen.

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Vergleichende Betrachtungen über neuere geometrische Forschungen

Felix Klein

1872

Erlangen

Verlag von Andreas Deichert

Unter den Leistungen der letzten fünfzig Jahre auf dem Gebiete der

Geometrie nimmt die Ausbildung der projectivischen[^1] Geometrie die

erste Stelle ein. Wenn es anfänglich schien, als sollten die sogenannten

metrischen Beziehungen ihrer Behandlung nicht zugänglich sein, da sie

beim Projiciren nicht ungeändert bleiben, so hat man in neuerer Zeit

gelernt, auch sie vom projectivischen Standpuncte aufzufassen, so dass

nun die projectivische Methode die gesammte Geometrie umspannt. Die

metrischen Eigenschaften erscheinen in ihr nur nicht mehr als

Eigenschaften der räumlichen Dinge an sich, sondern als Beziehungen

derselben zu einem Fundamental-Gebilde, dem unendlich fernen

Kugelkreise.

Vergleicht man mit der so allmählich gewonnenen Auffassungsweise der

räumlichen Dinge die Vorstellungen der gewöhnlichen (elementaren)

Geometrie, so entsteht die Frage nach einem allgemeinen Principe, nach

welchem die beiden Methoden sich ausbilden konnten. Diese Frage

erscheint um so wichtiger als sich neben die elementare und die

projectivische Geometrie, ob auch minder entwickelt, eine Reihe anderer

Methoden stellt, denen man dasselbe Recht selbständiger Existenz

zugestehen muss. Dahin gehören die Geometrie der reciproken Radien, die

Geometrie der rationalen Umformungen etc., wie sie in der Folge noch

erwähnt und dargestellt werden sollen.

Wenn wir es im Nachstehenden unternehmen, ein solches Princip

aufzustellen, so entwickeln wir wohl keinen eigentlich neuen Gedanken,

sondern umgränzen nur klar und deutlich, was mehr oder minder bestimmt

von Manchem gedacht worden ist. Aber es schien um so berechtigter,

derartige zusammenfassende Betrachtungen zu publiciren, als die

Geometrie, die doch ihrem Stoffe nach einheitlich ist, bei der raschen

Entwicklung, die sie in der letzten Zeit genommen hat, nur zu sehr in

eine Reihe von beinahe getrennten Disciplinen zerfallen ist[^2], die

sich ziemlich unabhängig von einander weiter bilden. Es lag dabei aber

auch noch die besondere Absicht vor, Methoden und Gesichtspuncte

darzulegen, welche von Lie und mir in neueren Arbeiten entwickelt

wurden. Es haben unsere beiderseitigen Arbeiten, auf wie

verschiedenartige Gegenstände sie sich auch bezogen, übereinstimmend auf

die hier dargelegte allgemeine Auffassungsweise hingedrängt, so dass es

eine Art von Nothwendigkeit war, auch einmal diese zu erörtern und von

ihr aus die betr. Arbeiten nach Inhalt und Tendenz zu characterisiren.

War bisher nur von geometrischen Forschungen die Rede, so sollen

darunter mit verstanden sein die Untersuchungen über beliebig

ausgedehnte Mannigfaltigkeiten, die sich, unter Abstreifung des für die

rein mathemathische Betrachtung unwesentlichen räumlichen Bildes[^3],

aus der Geometrie entwickelt haben[^4]. Es gibt bei der Untersuchung von

Mannigfaltigkeiten eben solche verschiedene Typen, wie in der Geometrie,

und es gilt, wie bei der Geometrie, das Gemeinsame und das

Unterscheidende unabhängig von einander unternommener Forschungen

hervorzuheben. Abstract genommen war es im Folgenden nur nöthig,

schlechthin von mehrfach ausgedehnten Mannigfaltigkeiten zu reden; aber

durch Anknüpfung an die geläufigeren räumlichen Vorstellungen wird die

Auseinandersetzung einfacher und verständlicher. Indem wir von der

Betrachtung der geometrischen Dinge ausgehen und an ihnen als einem

Beispiele die allgemeinen Gedanken entwickeln, verfolgen wir den Gang,

den die Wissenschaft in ihrer Ausbildung genommen hat, und den bei der

Darstellung zu Grunde zu legen gewöhnlich das Vorteilhafteste ist. –

Eine vorläufige Exposition des im Folgenden besprochenen Inhaltes ist

hier wohl nicht möglich, da sich derselbe kaum in eine knappere Form[^5]

fügen will; die Ueberschriften der Paragraphen werden den allgemeinen

Fortschritt des Gedankens angeben. Ich habe zum Schlusse eine Reihe von

Noten zugefügt, in welchen ich entweder, wo es im Interesse der

allgemeinen Auseinandersetzung des Textes nützlich schien, besondere

Punkte weiter entwickelt habe, oder in denen ich bemüht war, den

abstract mathematischen Standpunkt, der für die Betrachtungen des Textes

maßgebend ist, gegen verwandte abzugränzen.

§.1. Gruppen von räumlichen Transformationen. Hauptgruppe. Aufstellung

eines allgemeinen Problems.

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Der wesentlichste Begriff, der bei den folgenden Auseinandersetzungen

nothwendig ist, ist der einer Gruppe von räumlichen Aenderungen.

Beliebig viele Transformationen des Raumes[^6] ergeben zusammengesetzt

immer wieder eine Transformation. Hat nun eine gegebene Reihe von

Transformationen die Eigenschaft, dass jede Aenderung, die aus den ihr

angehörigen durch Zusammensetzung hervorgeht, ihr selbst wieder

angehört, so soll die Reihe eine Transformationsgruppe[^7] genannt

werden.

Ein Beispiel für eine Transformationsgruppe bildet die Gesammtheit der

Bewegungen (jede Bewegung als eine auf den ganzen Raum ausgeführte

Operation betrachtet). Eine in ihr enthaltene Gruppe bilden etwa die

Rotationen um einen Punct[^8]. Eine Gruppe, welche umgekehrt die Gruppe

der Bewegungen umfasst, wird durch die Gesammtheit der Collineationen

vorgestellt. Die Gesammtheit der dualistischen Umformungen bildet

dagegen keine Gruppe — denn zwei dualistische Umformungen ergeben

zusammen wieder eine Collineation —, wohl aber wird wieder eine Gruppe

erzeugt, wenn man die Gesammtheit der dualistischen mit der Gesammtheit

der collinearen zusammenfügt[^9].

Es gibt nun räumliche Transformationen, welche die geometrischen

Eigenschaften räumlicher Gebilde überhaupt ungeändert lassen.

Geometrische Eigenschaften sind nämlich ihrem Begriffe nach unabhängig

von der Lage, die das zu untersuchende Gebilde im Raume einnimmt, von

seiner absoluten Grösse, endlich auch von dem Sinne[^10], in welchem

seine Theile geordnet sind. Die Eigenschaften eines räumlichen Gebildes

bleiben also ungeändert durch alle Bewegungen des Raumes, durch seine

Aehnlichkeitstransformationen, durch den Process der Spiegelung, sowie

durch alle Transformationen, die sich aus diesen zusammensetzen. Den

Inbegriff aller dieser Transformationen bezeichnen wir als die

Hauptgruppe[^11] räumlicher Aenderungen; geometrische Eigenschaften

werden durch die Transformationen der Hauptgruppe nicht geändert. Auch

umgekehrt kann man sagen: Geometrische Eigenschaften sind durch ihre

Unveränderlichkeit gegenüber den Transformationen der Hauptgruppe

characterisirt. Betrachtet man nämlich den Raum einen Augenblick als

unbeweglich etc., als eine starre Mannigfaltigkeit, so hat jede Figur

ein individuelles Interesse; von den Eigenschaften, die sie als

Individuum hat, sind es nur die eigentlich geometrischen, welche bei den

Aenderungen der Hauptgruppe erhalten bleiben. Dieser hier etwas

unbestimmt formulirte Gedanke wird im weiteren Verlaufe der

Auseinandersetzung deutlicher erscheinen.

Streifen wir jetzt das mathematisch unwesentliche sinnliche Bild ab, und

erblicken im Raume nur eine mehrfach ausgedehnte Mannigfaltigkeit, also,

indem wir an der gewohnten Vorstellung des Punctes als Raumelement

festhalten, eine dreifach ausgedehnte. Nach Analogie mit den räumlichen

Transformationen reden wir von Transformationen der Mannigfaltigkeit;

auch sie bilden Gruppen. Nur ist nicht mehr, wie im Raume, eine Gruppe

vor den übrigen durch ihre Bedeutung ausgezeichnet; jede Gruppe ist mit

jeder anderen gleichberechtigt. Als Verallgemeinerung der Geometrie

entsteht so das folgende umfassende Problem:

Es ist eine Mannigfaltigkeit und in derselben eine Transformationsgruppe

gegeben; man soll die der Mannigfaltigkeit angehörigen Gebilde

hinsichtlich solcher Eigenschaften untersuchen, die durch die

Transformationen der Gruppe nicht geändert werden.

In Anlehnung an die moderne Ausdrucksweise, die man freilich nur auf

eine bestimmte Gruppe, die Gruppe aller linearen Umformungen, zu

beziehen pflegt, mag man auch so sagen:

Es ist eine Mannigfaltigkeit und in derselben eine Transformationsgruppe

gegeben. Man entwickele die auf die Gruppe bezügliche

Invariantentheorie.

Dies ist das allgemeine Problem, welches die gewöhnliche Geometrie nicht

nur, sondern namentlich auch die hier zu nennenden neueren geometrischen

Methoden und die verschiedenen Behandlungsweisen beliebig ausgedehnter

Mannigfaltigkeiten unter sich begreift. Was besonders betont sein mag,

ist die Willkürlichkeit, die hinsichtlich der Wahl der zu adjungirenden

Transformationsgruppe besteht, und die daraus fliessende und in diesem

Sinne zu verstehende gleiche Berechtigung aller sich unter die

allgemeine Forderung subsumirenden Betrachtungsweisen.

§.2. Transformationsgruppen, von denen die eine die andere umfasst,

werden nach einander adjungirt. Die verschiedenen Typen geometrischer

Forschung und ihr gegenseitiges Verhältniss.

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Da die geometrischen Eigenschaften räumlicher Dinge durch alle

Transformationen der Hauptgruppe ungeändert bleiben, so ist es an und

für sich absurd, nach solchen Eigenschaften derselben zu fragen, bei

denen dies nur gegenüber einem Theile dieser Transformationen der Fall

ist. Diese Fragestellung wird indess berechtigt, ob auch nur formal,

wenn wir die räumlichen Gebilde in ihrer Beziehung zu fest gedachten

Elementen untersuchen. Betrachten wir z. B., wie in der sphärischen

Trigonometrie, die räumlichen Dinge unter Auszeichnung eines Punctes.

Dann ist zunächst die Forderung: die unter Adjunction der Hauptgruppe

invarianten Eigenschaften nicht mehr der räumlichen Dinge an sich,

sondern des von ihnen mit dem gegebenen Puncte gebildeten Systems zu

entwickeln. Aber dieser Forderung können wir die andere Form ertheilen:

Man untersuche die räumlichen Gebilde an sich hinsichtlich solcher

Eigenschaften, welche ungeändert bleiben durch diejenigen

Transformationen der Hauptgruppe, welche noch stattfinden können, wenn

wir den Punct fest halten. Mit anderen Worten: Es ist dasselbe, ob wir

die räumlichen Gebilde im Sinne der Hauptgruppe untersuchen und ihnen

den gegebenen Punct hinzufügen, oder ob wir, ohne ihnen irgend ein

Gegebenes hinzuzufügen, die Hauptgruppe durch die in ihr enthaltene

Gruppe ersetzen, deren Transformationen den bez. Punct ungeändert

lassen.

Es ist dies ein in der Folge häufig angewandtes Princip, das wir

desshalb gleich hier allgemein formuliren wollen; etwa in der folgenden

Weise:

Es sei eine Mannigfaltigkeit und zu ihrer Behandlung eine auf sie

bezügliche Transformationsgruppe gegeben. Es werde das Problem

vorgelegt, die in der Mannigfaltigkeit enthaltenen Gebilde hinsichtlich

eines gegebenen Gebildes zu untersuchen. So kann man entweder dem

Systeme der Gebilde das gegebene hinzufügen, und es fragt sich dann nach

den Eigenschaften des erweiterten Systems im Sinne der gegebenen Gruppe

— oder, man lasse das System unerweitert, beschränke aber die

Transformationen, die man bei der Behandlung zu Grunde legt, auf

diejenigen in der gegebenen Gruppe enthaltenen, welche das gegebene

Gebilde ungeändert lassen (und die nothwendig wieder eine Gruppe

bilden). —

Im Gegensatze zu der zu Anfang des Paragraphen aufgeworfenen Frage

beschäftige uns nun die umgekehrte, die von Vornherein verständlich ist.

Wir fragen nach denjenigen Eigenschaften räumlicher Dinge, welche bei

einer Transformationsgruppe erhalten bleiben, die die Hauptgruppe als

einen Theil umfasst. Jede Eigenschaft, die wir bei einer solchen

Untersuchung finden, ist eine geometrische Eigenschaft des Dings an

sich, aber das Umgekehrte gilt nicht. Bei der Umkehr tritt vielmehr das

eben vorgetragene Princip in Kraft, wobei die Hauptgruppe nun die

kleinere Gruppe ist. Wir erhalten so:

Ersetzt man die Hauptgruppe durch eine umfassendere Gruppe, so bleibt

nur ein Theil der geometrischen Eigenschaften erhalten. Die übrigen

erscheinen nicht mehr als Eigenschaften der räumlichen Dinge an sich,

sondern als Eigenschaften des Systems, welches hervorgeht, wenn man

denselben ein ausgezeichnetes Gebilde hinzufügt. Dieses ausgezeichnete

Gebilde ist (soweit es überhaupt ein bestimmtes[^12] ist) dadurch

definirt, dass es, fest gedacht, dem Raume unter den Transformationen

der gegebenen Gruppe nur noch die Transformationen der Hauptgruppe

gestattet.

In diesem Satze beruht die Eigenart der hier zu besprechenden neueren

geometrischen Richtungen und ihr Verhältniss zur elementaren Methode.

Sie sind dadurch eben zu characterisiren, dass sie an Stelle der

Hauptgruppe eine erweiterte Gruppe räumlicher Umformungen der

Betrachtung zu Grunde legen. Ihr gegenseitiges Verhältniss ist, sofern

sich ihre Gruppen einschliessen, durch einen entsprechenden Satz

bestimmt. Dasselbe gilt von den verschiedenen hier zu betrachtenden

Behandlungsweisen mehrfach ausgedehnter Mannigfaltigkeiten. Es soll dies

nun an den einzelnen Methoden gezeigt werden, wobei denn die Sätze, die

in diesem und dem vorigen Paragraphen allgemein hingestellt wurden, ihre

Erläuterung an concreten Gegenständen finden.

§.3. Die projectivische Geometrie.

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Jede räumliche Umformung, die nicht gerade der Hauptgruppe angehört,

kann dazu benutzt werden, um Eigenschaften bekannter Gebilde auf neue

Gebilde zu übertragen. So verwerthen wir die Geometrie der Ebene für die

Geometrie der Flächen, die sich auf die Ebene abbilden lassen; so

schloss man schon lange vor dem Entstehen einer eigentlichen

projectivischen Geometrie von den Eigenschaften einer gegebenen Figur

auf Eigenschaften anderer, die durch Projection aus ihr hervorgingen.

Aber die projectivische Geometrie erwuchs erst, als man sich gewöhnte,

die ursprüngliche Figur mit allen aus ihr projectivisch ableitbaren als

wesentlich identisch zu erachten und die Eigenschaften, welche sich beim

Projiciren übertragen, so auszusprechen, dass ihre Unabhängigkeit von

der mit dem Projiciren verknüpften Aenderung in Evidenz tritt. Hiermit

war denn der Behandlung im Sinne von §.1 die Gruppe aller

projectivischen Umformungen zu Grunde gelegt und dadurch eben der

Gegensatz zwischen projectivischer und gewöhnlicher Geometrie

geschaffen.

Ein ähnlicher Entwicklungsgang, wie der hier geschilderte, kann bei

jeder Art von räumlicher Transformation als möglich gedacht werden; wir

werden noch öfter darauf zurückkommen. Er hat sich innerhalb der

projectivischen Geometrie selbst noch nach zwei Seiten vollzogen. Die

eine Weiterbildung der Auffassung geschah durch Aufnahme der

dualistischen Umformungen in die Gruppe der zu Grunde gelegten

Aenderungen. Für den heutigen Standpunct sind zwei einander dualistisch

entgegenstehende Figuren nicht mehr als zwei unterschiedene sondern als

wesentlich dieselben Figuren anzusehen. Ein anderer Schritt bestand in

der Erweiterung der zu Grunde gelegten Gruppe collinearer und

dualistischer Umformungen durch Aufnahme der bez. imaginären

Transformationen. Dieser Schritt bedingt, dass man vorher den Kreis der

eigentlichen Raumelemente durch Hinzunahme der imaginären erweitert habe

— ganz dem entsprechend, wie die Aufnahme der dualistischen Umformungen

in die zu Grunde gelegte Gruppe die gleichzeitige Einführung von Punct

und Ebene als Raumelement nach sich zieht. Es ist hier nicht der Ort,

auf die Zweckmässigkeit der Einführung imaginärer Elemente zu verweisen,

durch welche allein der genaue Anschluss der Raumlehre an das einmal

gewählte Gebiet algebraischer Operationen erreicht wird. Dagegen muss

betont werden, dass der Grund für die Einführung eben in der Betrachtung

algebraischer Operationen, nicht aber in der Gruppe der projectivischen

und dualistischen Umformungen liegt. So gut wir uns bei den letzteren

auf reelle Transformationen beschränken können, da schon die reellen

Collineationen und dualistischen Transformationen eine Gruppe bilden; —

so gut können wir imaginäre Raumelemente einführen, auch wenn wir nicht

auf projektivischem Standpuncte stehen, und sollen es, sofern wir

principiell algebraische Gebilde untersuchen.

Wie man vom projectivischem Standpuncte aus die metrischen Eigenschaften

aufzufassen hat, bestimmt sich nach dem allgemeinen Satze des

vorangehenden Paragraphen. Die metrischen Eigenschaften sind als

projectivische Beziehungen zu einem Fundamentalgebilde, dem unendlich

fernen Kugelkreise[^13], zu betrachten, einem Gebilde, das die

Eigenschaft hat, nur durch diejenigen Transformationen der

projectivischen Gruppe, die eben auch Transformationen der Hauptgruppe

sind, in sich überzugehen. Der so schlechthin ausgesprochene Satz bedarf

noch einer wesentlichen Ergänzung, die der Beschränkung der gewöhnlichen

Anschauungsweise auf reelle Raumelemente (und reelle Transformationen)

entspricht. Man muss dem Kugelkreise, um diesem Standpuncte gerecht zu

werden, noch das System der rellen Raumelemente (Puncte) ausdrücklich

hinzufügen; Eigenschaften im Sinne der elementaren Geometrie sind

projectivisch entweder Eigenschaften der Dinge an sich oder Beziehungen

zu diesem Systeme der reellen Elemente, oder zum Kugelkreise oder

endlich zu beiden.

Es mag hier noch der Art gedacht werden, wie v. Staudt in seiner

Geometrie der Lage[2] die projectivische Geometrie aufbaut — d. h.

diejenige projectivische Geometrie, welche sich auf Zugrundelegung der

Gruppe aller reeller projectivisch-dualistischer Umformung

beschränkt[^14].

Es ist bekannt, wie er dabei aus dem gewöhnlichen Anschauungsmaterial

nur solche Momente herausgreift, die auch bei projectivischen

Umformungen erhalten bleiben. Wollte man weiterhin zur Betrachtung auch

metrischer Eigenschaften übergehen, so hätte man die letzteren geradezu

als Beziehungen zum Kugelkreise einzuführen. Der so vervollständigte

Gedankengang ist für die hier vorliegenden Betrachtungen insofern von

grosser Bedeutung, als ein entsprechender Aufbau der Geometrie im Sinne

jeder einzelnen der noch anzuführenden Methoden möglich ist.

§.4. Uebertragung durch Abbildung.

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Ehe wir in der Besprechung der geometrischen Methoden, die sich neben

die elementare und die projectivische Geometrie stellen, weiter gehen,

mögen allgemein einige Betrachtungen entwickelt werden, die im Folgenden

immer wieder vorkommen und zu denen die bisher berührten Dinge bereits

hinreichend viele Beispiele liefern. Auf diese Erörterungen bezieht sich

der gegenwärtige und der nächstfolgende Paragraph.

Gesetzt, man habe eine Mannigfaltigkeit A unter Zugrundelegung einer

Gruppe B untersucht. Führt man sodann A durch irgendwelche

Transformation in eine andere Mannigfaltigkeit A' über, so wird aus der

Gruppe B von Aenderungen, die A in sich transformirten, nunmehr eine

Gruppe B', deren Transformationen sich auf A' beziehen. Dann ist es ein

selbstverständliches Princip, dass die Behandlungsweise von A unter

Zugrundelegung von B die Behandlungsweise von A' unter Zugrundelegung

von B' ergibt, d. h. jede Eigenschaft, welche ein in A enthaltenes

Gebilde mit Bezug auf die Gruppe B hat, ergibt eine Eigenschaft des

entsprechenden Gebildes in A' mit Bezug auf die Gruppe B'.

Lassen wir z. B. A eine gerade Linie, B die dreifach unendlich vielen

linearen Transformationen bedeuten, welche dieselbe in sich überführen.

Die Behandlungsweise von A ist dann eben diejenige, welche die neuere

Algebra als Theorie der binären Formen bezeichnet. Nun kann man die

gerade Linie auf einen Kegelschnitt A' der Ebene durch Protection von

einem Puncte des letzteren aus beziehen. Aus den linearen

Transformationen B der Geraden in sich selbst werden dann die linearen

Transformationen B' des Kegelschnittes in sich selbst, wie man leicht

zeigt, d. h. diejenigen Aenderungen des Kegelschnittes, welche mit den

linearen Transformationen der Ebene, die den Kegelschnitt in sich

überführen, verknüpft sind.

Es ist nun aber nach dem Princip des zweiten Paragraphen[^15] dasselbe:

nach der Geometrie auf einem Kegelschnitte zu fragen, wenn man sich den

Kegelschnitt als fest denkt und nur auf diejenigen linearen

Transformationen der Ebene achtet, welche ihn in sich überführen; oder

die Geometrie auf dem Kegelschnitte zu studiren, indem man überhaupt die

linearen Transformationen der Ebene betrachtet und sich den Kegelschnitt

mit ändern lässt. Die Eigenschaften, welche wir an den Punctsystemen auf

dem Kegelschnitte auffassten, sind mithin im gewöhnlichen Sinne

projectivische. Die Verknüpfung der letzten Ueberlegung mit dem eben

abgeleiteten Resultate gibt also:

Binäre Formentheorie und projectivische Geometrie der Punctsysteme auf

einem Kegelschnitte ist dasselbe, d. h. jedem binären Satze entspricht

ein Satz über derartige Punctsysteme und umgekehrt[^16].

Ein anderes Beispiel, welches geeignet ist, diese Art von Betrachtungen

zu veranschaulichen, ist das folgende: Wenn man eine Fläche zweiten

Grades mit einer Ebene durch stereographische Projection in Verbindung

setzt, so tritt auf der Fläche ein Fundamentalpunct auf: der

Projectionspunct, in der Ebene sind es zwei: die Bilder der durch den

Projectionspunct gehenden Erzeugenden. Man zeigt nun ohne Weiteres: Die

linearen Transformationen der Ebene, welche die beiden Fundamentalpuncte

derselben ungeändert lassen, gehen durch die Abbildung in lineare

Transformationen der Fläche zweiten Grades in sich selbst über, aber nur

in diejenigen, welche den Projectionspunct ungeändert lassen. Unter

linearen Transformationen der Fläche in sich selbst sind dabei

diejenigen Aenderungen verstanden, welche die Fläche erfährt, wenn man

lineare Raumtransformationen ausführt, welche die Fläche mit sich selbst

zur Deckung bringen. Hiernach wird also die projectivische Untersuchung

einer Ebene unter Zugrundelegung zweier Puncte und die projectivische

Untersuchung einer Fläche zweiten Grades unter Zugrundelegung eines

Punctes identisch. Die erstere ist nun — sofern man imaginäre Elemente

mit in Betracht zieht — nichts Anderes, als die Untersuchung der Ebene

im Sinne der elementaren Geometrie. Denn die Hauptgruppe der ebenen

Transformationen besteht eben in den linearen Umformungen, welche ein

Punctepaar (die unendlich fernen Kreispuncte) ungeändert lassen. Wir

erhalten also schliesslich:

Die elementare Geometrie der Ebene und die projectivische Untersuchung

einer Fläche zweiten Grades unter Hinzunahme eines ihrer Puncte sind

dasselbe.

Diese Beispiele liessen sich beliebig vervielfachen[^17]; die beiden

hier entwickelten sind gewählt worden, da wir in der Folge noch

Gelegenheit haben werden, auf dieselben zurückzukommen.

§.5. Von der Willkürlichkeit in der Wahl des Raumelements. Das Hessesche

Uebertragungsprincip. Die Liniengeometrie.

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Als Element der geraden Linie, der Ebene, des Raumes, überhaupt einer zu

untersuchenden Mannigfaltigkeit kann statt des Punctes jedes in der

Mannigfaltigkeit enthaltene Gebilde: die Punctgruppe, ev. die Curve, die

Fläche u. s. w. verwandt werden[^18]. Indem über die Zahl willkürlicher

Parameter, von denen man diese Gebilde abhängig setzen will, von

Vornherein gar Nichts fest steht, erscheinen Linie, Ebene, Raum etc. je

nach der Wahl des Elementes mit beliebig vielen Dimensionen behaftet.

Aber so lange wir der geometrischen Untersuchung dieselbe Gruppe von

Aenderungen zu Grunde legen, bleibt der Inhalt der Geometrie

unverändert, das heißt, jeder Satz, der bei einer Annahme des

Raumelements sich ergab, ist auch ein Satz bei beliebiger anderer

Annahme, nur die Anordnung und Verknüpfung der Sätze ist geändert.

Das Wesentliche ist also die Transformationsgruppe; die Zahl der

Dimensionen, die wir einer Mannigfaltigkeit beilegen wollen, erscheint

als etwas Secundäres.

Die Verknüpfung dieser Bemerkung mit dem Princip des vorigen Paragraphen

ergibt eine Reihe schöner Anwendungen, von denen hier einige entwickelt

werden mögen, da diese Beispiele mehr als alle lange Auseinandersetzung

geeignet scheinen, den Sinn der allgemeinen Betrachtung darzulegen.

Die projectivische Geometrie auf der Geraden (die Theorie der binären

Formen) ist nach dem vorigen Paragraphen mit der projectivischen

Geometrie auf dem Kegelschnitte gleichbedeutend. Auf letzterem mögen wir

jetzt statt des Punctes das Punctepaar als Element betrachten

Die Gesammtheit der Punctepaare des Kegelschnitts lässt sich aber auf

die Gesammtheit der Geraden der Ebene beziehen, indem man jede Gerade

dem Punctepaare zuordnet, in welchem sie den Kegelschnitt trifft. Bei

dieser Abbildung gehen die linearen Transformationen des Kegelschnitts

in sich selbst in die linearen Transformationen der (aus Geraden

bestehend gedachten) Ebene über, welche den Kegelschnitt ungeändert

lassen. Ob wir aber die aus den letzteren bestehende Gruppe betrachten,

oder die Gesammtheit der linearen Transformationen der Ebene zu Grunde

legen und den zu untersuchenden Gebilden der Ebene den Kegelschnitt

allemal hinzufügen, ist nach §.2 gleichbedeutend. Indem wir alle diese

Ueberlegungen zusammen nehmen, haben wir:

Die Theorie der binären Formen und die projectivische Geometrie der

Ebene unter Zugrundelegung eines Kegelschnittes sind gleichbedeutend.

Da endlich projectivische Geometrie der Ebene unter Zugrundelegung eines

Kegelschnittes eben wegen der Gleichheit der Gruppe mit der

projectivischen Maßgeometrie coincidirt, die man in der Ebene auf einen

Kegelschnitt gründen kann[^19], so mögen wir auch so sagen:

Die Theorie der binären Formen und die allgemeine projectivische

Maßgeometrie in der Ebene sind dasselbe.

Statt des Kegelschnitts in der Ebene können wir in der vorstehenden

Betrachtung die Curve dritter Ordnung im Raume setzen etc., doch mag

dies unausgeführt bleiben. Der hier dargelegte Zusammenhang zwischen der

Geometrie der Ebene, weiterhin des Raumes oder einer beliebig

ausgedehnten Mannigfaltigkeit deckt sich im Wesentlichen mit dem von

Hesse vorgeschlagenen Uebertragungsprincipe [7].

Ein Beispiel ganz ähnlicher Art ergibt die projectivische Geometrie des

Raumes, oder, anders ausgedrückt, die Theorie der quaternären Formen.

Fasst man die gerade Linie als Raumelement und ertheilt ihr, wie in der

Liniengeometrie geschieht, sechs homogene Coordinaten, zwischen denen

eine Bedingungsgleichung vom zweiten Grade Statt findet, so erscheinen

die linearen und dualistischen Transformationen des Raumes als

diejenigen linearen Transformationen der unabhängig gedachten sechs

Veränderlichen, welche die Bedingungsgleichung in sich überführen. Durch

eine Verknüpfung ähnlicher Ueberlegungen, wie sie soeben entwickelt

wurden, erhält man hieraus den Satz:

Die Theorie der quaternären Formen deckt sich mit der projectivischen

Maßbestimmung in einer durch 6 homogene Veränderliche erzeugten

Mannigfaltigkeit.

Wegen der näheren Ausführung dieser Auffassung verweise ich auf einen

demnächst in den Math. Annalen (Bd. VI) erscheinenden Aufsatz: „Ueber

die sogenannte Nicht-Euklidische Geometrie"[8], sowie auf eine Note am

Schlusse dieser Mittheilung[^20].

Ich knüpfe an die vorstehenden Auseinandersetzungen noch zwei

Bemerkungen, von denen die erste zwar schon implicite in dem Bisherigen

enthalten ist, aber ausgeführt werden soll, weil der Gegenstand, auf den

sie sich bezieht, zu leicht Missverständnissen ausgesetzt ist.

Wenn wir beliebige Gebilde als Raumelemente einführen, so erhält der

Raum beliebig viele Dimensionen. Wenn wir dann aber an der uns

geläufigen (elementaren oder projectivischen) Anschauungsweise

festhalten, so ist die Gruppe, welche wir für die mehrfach ausgedehnte

Mannigfaltigkeit zu Grunde zu legen haben, von Vorne herein gegeben; es

ist eben die Hauptgruppe bez. die Gruppe der projectivischen

Umformungen. Wollten wir eine andere Gruppe zu Grunde legen, so müssten

wir von der gewöhnlichen bez. der projectivischen Anschauung abgehen. So

richtig es also ist, dass bei geschickter Wahl der Raumelemente der Raum

Mannigfaltigkeiten von beliebig vielen Ausdehnungen repräsentirt, so

wichtig ist es, hinzuzufügen, dass bei dieser Repräsentation entweder

von Vorneherein eine bestimmte Gruppe der Behandlung der

Mannigfaltigkeit zu Grunde zu legen ist, oder dass wir, wollen wir über

die Gruppe verfügen, unsere geometrische Auffassung entsprechend

auszubilden haben. — Es könnte, ohne diese Bemerkung, z. B. eine

Repräsentation der Liniengeometrie in der folgenden Weise gesucht

werden. Die Gerade erhält in der Liniengeometrie sechs Coordinaten; eben

so viele Coefficienten besitzt der Kegelschnitt in der Ebene. Das Bild

der Liniengeometrie würde also die Geometrie in einem

Kegelschnittsysteme sein, das aus der Gesammtheit der Kegelschnitte

durch eine quadratische Gleichung zwischen den Coefficienten

ausgesondert wird. Das ist richtig, sowie wir als Gruppe der ebenen

Geometrie die Gesammtheit der Transformationen zu Grunde legen, die

durch lineare Umformungen der Kegelschnitts-Coefficienten repräsentirt

werden, welche die quadratische Bedingungsgleichung in sich überführen.

Halten wir aber an der elementaren bez. der projectivischen Auffassung

der ebenen Geometrie fest, so haben wir eben kein Bild.

Die zweite Bemerkung bezieht sich auf folgende Begriffsbildung. Sei im

Raume irgend eine Gruppe, etwa die Hauptgruppe gegeben. So wähle man ein

einzelnes räumliches Gebilde, etwa einen Punct, oder eine Gerade, oder

auch ein Ellipsoid etc. aus und wende auf dasselbe alle Transformationen

der Hauptgruppe an. Man erhält dann eine mehrfach unendliche

Mannigfaltigkeit mit einer Anzahl von Dimensionen, die im Allgemeinen

gleich der Zahl der in der Gruppe enthaltenen willkürlichen Parameter

ist, die in besonderen Fällen herabsinkt, wenn nämlich das ursprünglich

gewählte Gebilde die Eigenschaft besitzt, durch unendlich viele

Transformationen der Gruppe in sich übergeführt zu werden. Jede so

erzeugte Mannigfaltigkeit heiße mit Bezug auf die erzeugende Gruppe ein

Körper[^21]. Wollen wir nun den Raum im Sinne der Gruppe untersuchen und

dabei bestimmte Gebilde als Raumelemente auszeichnen, und wollen wir

nicht, dass Gleichberechtigtes ungleichartig dargestellt werde, so

müssen wir die Raumelemente ersichtlich so wählen, dass ihre

Mannigfaltigkeit entweder selbst einen Körper bildet oder in Körper

zerlegt werden kann. Von dieser evidenten Bemerkung soll später (§.9)

eine Anwendung gemacht werden. Der Körper-Begriff selbst wird im

Schlussparagraphen in Verbindung mit verwandten Begriffen noch einmal

zur Sprache kommen.

§.6. Die Geometrie der reciproken Radien. Die Interpretation von x+iy.

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Wir kehren mit diesem Paragraphen zur Besprechung der verschiedenen

Richtungen der geometrischen Forschung zurück, wie sie in §§.2.3

begonnen wurde.

Als ein Seitenstück zu den Betrachtungsweisen der projectivischen

Geometrie kann man in vielfacher Hinsicht eine Classe geometrischer

Ueberlegungen betrachten, bei denen von der Umformung durch reciproke

Radien fortlaufender Gebrauch gemacht wird. Es gehören hierher die

Untersuchungen über die sog. Cycliden und anallagmatische Flächen, über

die allgemeine Theorie der Orthogonalsysteme, ferner Untersuchungen über

das Potential etc. Wenn man die in denselben enthaltenen Betrachtungen

noch nicht gleich den projectivischen zu einer besonderen Geometrie

zusammengefasst hat, die dann als Gruppe die Gesammtheit derjenigen

Umformungen zu Grunde zu legen hätte, welche durch Verbindung der

Hauptgruppe mit der Transformation durch reciproke Radien entstehen, so

ist das wohl dem zufälligen Umstande zuzuschreiben, dass die genannten

Theorien seither nicht im Zusammenhange dargestellt worden sind; den

einzelnen Autoren, die in dieser Richtung arbeiteten, wird eine solche

methodische Auffassung nicht fern gelegen haben.

Die Parallele zwischen dieser Geometrie der reciproken Radien und der

projectivischen ergibt sich, sowie einmal die Frage nach einem

Vergleiche vorhanden ist, von selbst, und es mag daher nur ganz im

Allgemeinen auf die folgenden Puncte aufmerksam gemacht werden:

In der projectivischen Geometrie sind Punct, Gerade, Ebene die

Elementar-Begriffe. Kreis und Kugel sind nur specielle Fälle von

Kegelschnitt und Fläche zweiten Grades. Das unendlich Ferne der

elementaren Geometrie erscheint als Ebene; das Fundamentalgebilde, auf

welches sich die elementare Geometrie bezieht, ist ein unendlich ferner,

imaginärer Kegelschnitt.

In der Geometrie der reciproken Radien sind Punct, Kreis und Kugel die

Elementarbegriffe. Gerade und Ebene sind specielle Fälle der letzteren,

dadurch charakterisirt, dass sie einen, im Sinne der Methode übrigens

nicht weiter ausgezeichneten Punct, den unendlich fernen Punct

enthalten. Die elementare Geometrie erwächst, so wie man diesen Punct

fest denkt.

Die Geometrie der reciproken Radien ist einer Einkleidung fähig, welche

sie neben die Theorie der binären Formen und die Liniengeometrie stellt,

falls man die letzteren in der Weise behandelt, wie das im vorigen

Paragraphen angedeutet wurde. Wir mögen zu diesem Zwecke die Betrachtung

zunächst auf ebene Geometrie und also auf Geometrie der reciproken

Radien in der Ebene[^22] beschränken.

Es wurde bereits des Zusammenhangs gedacht, der zwischen der elementaren

Geometrie der Ebene und der projectivischen Geometrie der mit einem

ausgezeichneten Puncte versehenen Fläche zweiten Grades besteht (§.4).

Sieht man von dem ausgezeichneten Puncte ab und betrachtet also die

projectivische Geometrie auf der Fläche an sich, so hat man ein Bild der

Geometrie der reciproken Radien in der Ebene. Denn man überzeugt sich

leicht[^23], dass der Transformationsgruppe der reciproken Radien in der

Ebene vermöge der Abbildung der Fläche zweiten Grades die Gesammtheit

der linearen Transformationen der letzteren in sich selbst entspricht.

Man hat also:

Geometrie der reciproken Radien in der Ebene und projectivische

Geometrie auf einer Fläche zweiten Grades ist dasselbe,

und ganz entsprechend:

Geometrie der reciproken Radien im Raume ist mit der projectivischen

Behandlung einer Mannigfaltigkeit gleichbedeutend, die durch eine

quadratische Gleichung zwischen fünf homogenen Veränderlichen

dargestellt wird.

Die Raumgeometrie ist also durch die Geometrie der reciproken Radien in

ganz dieselbe Verbindung mit einer Mannigfaltigkeit von vier Dimensionen

gesetzt, wie vermöge der Liniengeometrie mit einer Mannigfaltigkeit von

fünf Ausdehnungen.

Die Geometrie der reciproken Radien in der Ebene gestattet, sofern man

nur auf reelle Transformationen achten will, noch nach einer anderen

Seite eine interessante Darstellung, resp. Verwendung. Breitet man

nämlich eine complexe Variable x+iy in gewöhnlicher Weise in der Ebene

aus, so entspricht ihren linearen Transformationen die Gruppe der

reciproken Radien, mit der erwähnten Beschränkung auf das Reelle. Die

Untersuchung der Functionen einer complexen Veränderlichen, die

beliebigen linearen Transformationen unterworfen gedacht ist, ist aber

nichts Anderes, als was bei einer etwas abgeänderten Darstellungsweise

Theorie der binären Formen genannt wird. Also:

Die Theorie der binären Formen findet ihre Darstellung durch die

Geometrie der reciproken Radien in der reellen Ebene, so zwar, dass auch

die complexen Werthe der Variabeln repräsentirt werden.

Von der Ebene mögen wir, um in den gewohnteren Vorstellungskreis der

projectivischen Umformungen zu gelangen, zur Fläche zweiten Grades

aufsteigen. Da wir nur reelle Elemente der Ebene betrachteten, ist es

nicht mehr gleichgültig, wie man die Fläche wählt; sie ist ersichtlich

nicht geradlinig zu nehmen. Insbesondere können wir uns dieselbe — wie

man das zur Interpretation einer complexen Veränderlichen auch sonst

thut — als Kugelfläche denken und erhalten so den Satz:

Die Theorie der binären Formen complexer Variablen findet ihre

Repräsentation in der projectivischen Geometrie der reellen Kugelfläche.

Ich habe mir nicht versagen mögen, in einer Note[^24] noch

auseinanderzusetzen, wie schön dieses Bild die Theorie der binären

cubischen und biquadratischen Formen erläutert.

§.7. Erweiterungen des Vorangehenden. Lies Kugelgeometrie.

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An die Theorie der binären Formen, die Geometrie der reciproken Radien

und die Liniengeometrie, welche im Vorstehenden coordinirt und nur durch

die Zahl der Veränderlichen unterschieden scheinen, lassen sich gewisse

Erweiterungen knüpfen, die nun auseinandergesetzt werden mögen.

Dieselben sollen einmal dazu beitragen, den Gedanken, dass die Gruppe,

welche die Behandlungsweise gegebener Gebiete bestimmt, beliebig

erweitert werden kann, an neuen Beispielen zu erläutern; dann aber ist

namentlich die Absicht gewesen, Betrachtungen, welche Lie in einer

neueren Abhandlung niedergelegt hat[^25], in ihrer Beziehung zu den hier

vorgetragenen Ueberlegungen darzulegen. Der Weg, auf welchem wir zu Lies

Kugelgeometrie gelangen, weicht insofern von dem von Lie eingeschlagenen

ab, als Lie an liniengeometrische Vorstellungen anknüpft, während wir,

um uns mehr der gewöhnlichen geometrischen Anschauung anzuschliessen und

im Zusammenhange mit dem Vorhergehenden zu bleiben, bei den bez.

Auseinandersetzungen eine geringere Zahl von Veränderlichen

voraussetzen. Die Betrachtungen sind, wie bereits Lie selbst

hervorgehoben hat (Göttinger Nachrichten 1871. N. 7, 22 [11]) von der

Zahl der Variabeln unabhängig. Sie gehören dem grossen Kreise von

Untersuchungen an, welche sich mit der projectivischen Untersuchung

quadratischer Gleichungen zwischen beliebig vielen Veränderlichen

beschäftigen, Untersuchungen, die wir bereits öfter berührt haben und

die uns noch wiederholt begegnen werden (vergl. §.10 u. a.)

Ich knüpfe an den Zusammenhang an, der zwischen der reellen Ebene und

der Kugelfläche durch stereographische Projection hergestellt wird. Wir

setzten bereits in §.5 die Geometrie der Ebene mit der Geometrie auf

einem Kegelschnitte in Verbindung, indem wir der Geraden der Ebene das

Punctepaar zuordneten, in welchem sie den Kegelschnitt trifft.

Entsprechend können wir einen Zusammenhang zwischen der Raumgeometrie

und der Geometrie auf der Kugel aufstellen, indem wir jeder Ebene des

Raumes den Kreis zuordnen, in welchem sie die Kugel schneidet.

Uebertragen wir dann durch stereographische Projection die Geometrie auf

der Kugel von derselben auf die Ebene, wobei jeder Kreis in einen Kreis

übergeht, so entsprechen einander also:

- die Raumgeometrie, welche als Element die Ebene, als Gruppe

diejenigen linearen Transformationen benutzt, welche eine Kugel in

sich überführen;

- die ebene Geometrie, deren Element der Kreis, deren Gruppe die

Gruppe der reciproken Radien ist.

Die erstere Geometrie wollen wir nun nach zwei Seiten verallgemeinern,

indem wir statt ihrer Gruppe eine umfassendere setzen. Die resultirende

Erweiterung überträgt sich dann durch die Abbildung ohne Weiteres auf

ebene Geometrie.

Statt der linearen Transformationen des aus Ebenen bestehenden Raumes,

welche die Kugel in sich überführen, liegt es nahe, entweder die

Gesammtheit der linearen Transformationen des Raumes, oder die

Gesammtheit der Ebenen-Transformationen des Raumes zu wählen, welche die

Kugel ungeändert lassen, indem wir das eine Mal von der Kugel, das

andere Mal von dem linearen Character der anzuwendenden Transformationen

absehen. Die erste Verallgemeinerung ist ohne Weiteres verständlich und

wir mögen sie also zuerst betrachten und in ihrer Bedeutung für ebene

Geometrie verfolgen; auf die zweite kommen wir hernach zurück, wobei es

sich denn zunächst darum handelt, die allgemeinste betreffende

Transformation zu bestimmen.

Die linearen Transformationen des Raumes haben die Eigenschaft gemein,

Ebenenbüschel und Ebenenbündel wieder in solche überzuführen. Aber auf

die Kugel übertragen ergibt das Ebenenbüschel ein Kreisbüschel, d. h.

eine einfach unendliche Reihe von Kreisen mit gemeinsamen

Schnittpunkten; das Ebenenbündel ergibt ein Kreisbündel, d. h. eine

zweifach unendliche Schaar von Kreisen, die auf einem festen Kreise

senkrecht stehen (dem Kreise, dessen Ebene die Polarebene des den Ebenen

des geg. Bündels gemeinsamen Punctes ist). Den linearen Transformationen

des Raumes entsprechen also auf der Kugel und weiterhin in der Ebene

Kreistransformationen von der characteristischen Eigenschaft,

Kreisbüschel und Kreisbündel in ebensolche überzuführen[^26]. Die ebene

Geometrie welche die Gruppe der so gewonnenen Transformationen benutzt,

ist das Bild der gewöhnlichen projectivischen Raumgeometrie. Als Element

der Ebene wird man in dieser Geometrie nicht den Punct benutzen können,

da die Puncte für die gewählte Transformationsgruppe keinen Körper

bilden (§.5), sondern man wird die Kreise als Elemente wählen.

Bei der zweiten Erweiterung, die wir nannten, gilt es zunächst die Frage

nach der Art der bez. Transformationsgruppe erledigen. Es handelt sich

darum, Ebenen-Transformationen zu finden, die aus jedem Ebenenbündel,

dessen Scheitel auf der Kugel liegt, wieder ein solches Bündel machen.

Wir mögen der kürzeren Ausdrucksweise wegen zunächst die Frage

dualistisch umkehren und überdies einen Schritt in der Zahl der

Dimensionen hinab gehen; wir wollen also nach Puncttransformationen der

Ebene fragen, welche aus jeder Tangente eines gegebenen Kegelschnittes

wiederum eine Tangente erzeugen. Zu dem Zwecke betrachten wir die Ebene

mit ihrem Kegelschnitte als Bild einer Fläche zweiten Grades, die man

von einem nicht auf ihr befindlichen Raumpuncte aus so auf die Ebene

projicirt hat, dass der bez. Kegelschnitt die Uebergangscurve vorstellt.

Den Tangenten des Kegelschnitts entsprechen die Erzeugenden der Fläche,

und die Frage ist auf die andere zurückgeführt nach der Gesammtheit der

Puncttransformationen der Fläche in sich selbst, bei denen die

Erzeugenden Erzeugende bleiben.

Solcher Transformationen gibt es nun zwar beliebig unendlich viele: denn

man braucht nur den Punct der Fläche als Durchschnitt der Erzeugenden

zweierlei Art zu betrachten und jedes der Geraden-Systeme beliebig in

sich zu transformiren. Aber unter den Transformationen sind insbesondere

die linearen. Nur auf diese wollen wir achten. Hätten wir nämlich nicht

mit einer Fläche, sondern mit einer mehrfach ausgedehnten

Mannigfaltigkeit zu thun, die durch eine quadratische Gleichung

repräsentirt wird, so blieben nur die linearen Transformationen, die

anderen kämen in Wegfall[^27].

Diese linearen Transformationen der Fläche in sich selbst ergeben, durch

(nicht stereographische) Projection auf die Ebene übertragen,

zweideutige Puncttransformationen, vermöge deren aus jeder Tangente des

Kegelschnittes, der die Uebergangscurve bildet, allerdings wieder eine

Tangente wird, aus jeder anderen Geraden aber im Allgemeinen ein

Kegelschnitt, der die Uebergangscurve doppelt berührt. Es lässt sich

diese Transformationsgruppe passend characterisiren, wenn man auf den

Kegelschnitt, der die Uebergangscurve bildet, eine projectivische

Maßbestimmung gründet. Die Transformationen haben dann die Eigenschaft,

Puncte, welche im Sinne der Maßbestimmung von einander eine Entfernung

gleich Null haben, sowie Puncte, welche von einem anderen Puncte eine

constante Entfernung haben, wieder in solche Puncte zu verwandeln.

Alle diese Betrachtungen lassen sich auf beliebig viele Variabeln

übertragen, insbesondere also für die ursprüngliche Fragestellung, die

sich auf die Kugel und die Ebene als Element bezog, verwerthen. Man kann

dem Resultate dabei eine besonders anschauliche Form geben, weil der

Winkel, den zwei Ebenen im Sinne der auf eine Kugel gegründeten

projectivischen Maßbestimmung mit einander bilden, mit dem Winkel gleich

ist, den ihre Durchschnittskreise mit der Kugel im gewöhnlichen Sinne

mit einander bilden.

Wir erhalten also auf der Kugel und weiterhin auf der Ebene eine Gruppe

von Kreistransformationen, welche die Eigenschaft haben, Kreise, die

einander berühren (einen Winkel gleich Null einschliessen), sowie

Kreise, die einen anderen Kreis unter gleichem Winkel schneiden, in eben

solche Kreise überzuführen. In der Gruppe dieser Transformationen sind

auf der Kugel die bez. linearen, in der Ebene die Transformationen der

Gruppe der reciproken Radien enthalten.

Die auf diese Gruppe zu gründende Kreisgeometrie ist nun das Analogon zu

der Kugelgeometrie, wie sie Lie für den Raum entworfen hat, und wie sie

bei Untersuchungen über Krümmung der Flächen von ausgezeichneter

Bedeutung scheint. Sie schliesst die Geometrie der reciproken Radien in

demselben Sinne in sich, wie letztere wieder die elementare Geometrie. —

Die nunmehr gewonnenen Kreis-(Kugel-)Transformationen haben insbesondere

die Eigenschaft, sich berührende Kreise (Kugeln) in eben solche

überzuführen. Betrachtet man alle Curven (Flächen) als Umhüllungsgebilde

von Kreisen (Kugeln), so werden in Folge dessen Curven (Flächen), die

sich berühren, immer in wieder solche übergehen. Die fraglichen

Transformationen gehören also in die Classe der später allgemein zu

betrachtenden Berührungstransformationen, d. h. solcher Umformungen, bei

denen Berührung von Punctgebilden eine invariante Beziehung ist. Die im

vorliegenden Paragraphen zuerst erwähnten Kreistransformationen, denen

man analoge Kugeltransformationen an die Seite stellen kann, sind keine

Berührungstransformationen. —

Wurden vorstehend die zweierlei Erweiterungen nur an die Geometrie der

reciproken Radien angeknüpft, so gelten dieselben in entsprechender

Weise für Liniengeometrie, überhaupt für die projectivische Untersuchung

einer durch eine quadratische Gleichung ausgeschiedenen

Mannigfaltigkeit, wie bereits angedeutet wurde, hier aber nicht weiter

ausgeführt werden soll.

§.8. Aufzählung weiterer Methoden, denen eine Gruppe von

Puncttransformationen zu Grunde liegt.

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Elementare Geometrie, Geometrie der reciproken Radien und auch

projectivische Geometrie, sofern man von den mit Wechsel des

Raumelements verknüpften dualistischen Umformungen absieht, subsumiren

sich als einzelne Glieder unter die grosse Menge von denkbaren

Betrachtungsweisen, welche überhaupt Gruppen von Puncttransformationen

zu Grunde legen. Wir mögen hier nur die folgenden drei Methoden, die

hierin mit den genannten übereinstimmen, hervorheben. Sind diese

Methoden auch lange nicht in dem Maße, wie die projectivische Geometrie,

zu selbständigen Disciplinen entwickelt, so treten sie doch deutlich

erkennbar in den neueren Untersuchungen auf.

1. Die Gruppe der rationalen Umformungen.

Bei rationalen Umformungen muss wohl unterschieden werden, ob dieselben

für alle Puncte des Gebietes, in welchem man operirt, also des Raumes

oder der Ebene etc., rational sind, oder nur für die Puncte einer in dem

Gebiete enthaltenen Mannigfaltigkeit, einer Fläche, einer Curve. Nur die

ersteren sind zu verwenden, wenn es gilt, im bisherigen Sinne eine

Geometrie des Raumes, der Ebene zu entwerfen; die letzteren gewinnen von

dem hier gegebenen Standpuncte aus erst Bedeutung, wenn Geometrie auf

einer gegebenen Fläche, Curve studirt werden soll. Dieselbe

Unterscheidung gilt bei der sogleich anzuführenden Analysis situs.

Die seitherigen Untersuchungen, hier wie dort, haben sich aber

wesentlich mit Transformationen der zweiten Art beschäftigt. Insofern

dabei nicht die Frage nach der Geometrie auf der Fläche, der Curve war,

es sich vielmehr darum handelte, Criterien zu finden, damit zwei

Flächen, Curven in einander transformirt werden können, treten diese

Untersuchungen aus dem Kreise der hier zu betrachtenden heraus. Der hier

aufgestellte allgemeine Schematismus umspannt eben nicht die Gesammtheit

mathematischer Forschung überhaupt, sondern er bringt nur gewisse

Richtungen unter einen gemeinsamen Gesichtspunct.

Für eine Geometrie der rationalen Umformungen, wie sie sich unter

Zugrundelegung der Transformationen der ersten Art ergeben muss, sind

bis jetzt erst die Anfänge vorhanden. Im Gebiete erster Stufe, auf der

geraden Linie, sind die rationalen Umformungen mit den linearen

identisch und liefern also nichts Neues. In der Ebene kennt man freilich

die Gesammtheit der rationalen Umformungen (der Cremonaschen

Transformationen), man weiss, dass sie sich durch Zusammensetzung

quadratischer erzeugen lassen. Man kennt auch invariante Charactere der

ebenen Curven: ihr Geschlecht, die Existenz der Moduln; aber eigentlich

zu einer Geometrie der Ebene in dem hier gemeinten Sinne entwickelt sind

diese Betrachtungen noch nicht. Im Raume ist die ganze Theorie noch erst

im Entstehen begriffen. Von den rationalen Umformungen kennt man bis

jetzt nur wenige und benutzt dieselben, um bekannte Flächen mit

unbekannten durch Abbildung in Verbindung zu setzen. —

Vergleichende Betrachtungen über neuere geometrische Forschungen · 第 1 / 5 题