3. Die Gruppe aller Puncttransformationen.

Wenn gegenüber dieser Gruppe keine Fläche mehr individuelle

Eigenschaften besitzt, da jede in jede andere durch Transformationen der

Gruppe übergeführt werden kann, so sind es höhere Gebilde, bei deren

Untersuchung die Gruppe mit Vortheil Anwendung findet. Bei der

Auffassung der Geometrie, wie sie hier zu Grunde gelegt ist, kann es

gleichgültig sein, wenn diese Gebilde seither nicht sowohl als

geometrische sondern nur als analytische betrachtet wurden, die

gelegentlich geometrische Anwendung fanden, und wenn man bei ihrer

Untersuchung Processe anwandte (wie eben beliebige

Puncttransformationen), die man erst in neuerer Zeit bewusst als

geometrische Umformungen aufzufassen begonnen hat. Unter diese

analytischen Gebilde gehören vor allen die homogenen

Differentialausdrücke, sodann auch die partiellen

Differentialgleichungen. Bei der allgemeinen Discussion der letzteren

scheint aber, wie in dem folgenden Paragraphen ausgeführt wird, die

umfassendere Gruppe aller Berührungstransformationen noch vorteilhafter.

Der Hauptsatz, der in der Geometrie, welche die Gruppe aller

Puncttransformationen zu Grunde legt, in Geltung ist, ist der, dass eine

Puncttransformation für eine unendlich kleine Partie des Raumes immer

den Werth einer linearen Transformation hat. Die Entwickelungen der

projectivischen Geometrie haben also nun ihren Werth für das

Unendlichkleine, und hierin liegt, mag sonst die Wahl der Gruppe bei

Behandlung von Mannigfaltigkeiten willkürlich sein — hierin liegt ein

auszeichnender Character für die projectivische Anschauungsweise.

Nachdem nun schon lange von dem Verhältnisse der Betrachtungsweisen, die

einander einschliessende Gruppen zu Grunde legen, nicht mehr die Rede

war, mag hier noch einmal ein Beispiel für die allgemeine Theorie des

§.2 gegeben werden. Wir mögen uns die Frage vorlegen, wie denn vom

Standpuncte „aller Puncttransformationen" projectivische Eigenschaften

aufzufassen sind, wobei von den dualistischen Umformungen, die

eigentlich mit zur Gruppe der projectivischen Geometrie gehören,

abgesehen werden mag. Die Frage deckt sich dann mit der andern: durch

welche Bedingung aus der Gesammtheit der Puncttransformationen die

Gruppe der linearen ausgeschieden wird. Das Characteristische der

letzteren ist, dass sie jeder Ebene eine Ebene zuordnen: sie sind

diejenigen Puncttransformationen, vermöge deren die Mannigfaltigkeit der

Ebenen (oder, was auf dasselbe hinaus kommt, der geraden Linien)

erhalten bleibt. Die projectivische Geometrie ist aus der Geometrie

aller Puncttransformationen ebenso durch Adjunction der Mannigfaltigkeit

der Ebenen zu gewinnen, wie die elementare Geometrie aus der

projectivischen durch Adjunction des unendlich fernen Kugelkreises.

Insbesondere haben wir z. B. vom Standpuncte aller Puncttransformationen

die Bezeichnung einer Fläche als einer algebraischen von einer gewissen

Ordnung als eine invariante Beziehung zur Mannigfaltigkeit der Ebenen

aufzufassen. Es wird dies recht deutlich, wenn man, mit Grassmann, die

Erzeugung der algebraischen Gebilde an ihre lineale Construction knüpft.

§.9. Von der Gruppe aller Berührungstransformationen.

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Berührungstransformationen sind zwar in einzelnen Fällen schon lange

betrachtet; auch hat Jacobi bei analytischen Untersuchungen bereits von

den allgemeinsten Berührungstransformationen Gebrauch gemacht; aber in

die lebendige geometrische Anschauung wurden sie erst durch neuere

Arbeiten von Lie eingeführt[^28]. Es ist daher wohl nicht überflüssig,

hier ausdrücklich auseinanderzusetzen, was eine Berührungstransformation

ist, wobei wir uns, wie immer, auf den Punctraum mit seinen drei

Dimensionen beschränken.

Unter einer Berührungstransformation hat man, analytisch zu reden, jede

Substitution zu verstehen, welche die Variabel-Werthe x, y, z und ihre

partiellen Differentialquotienten dz/dx = p, dz/dy = q durch neue x',

y', z', p', q' ausdrückt. Dabei gehen, wie ersichtlich, sich berührende

Flächen im Allgemeinen wieder in sich berührende Flächen über, was den

Namen Berührungstransformation begründet. Die Berührungstransformationen

zerfallen, wenn man vom Puncte als Raumelement ausgeht, in drei Classen:

solche, die den dreifach unendlich vielen Puncten wieder Puncte zuordnen

— das sind die eben betrachteten Puncttransformationen —, solche, die

sie in Curven, endlich solche, die sie in Flächen überführen. Diese

Eintheilung hat man insofern nicht als eine wesentliche zu betrachten,

als bei Benutzung anderer dreifach unendlich vieler Raumelemente, etwa

der Ebenen, allerdings wieder eine Theilung in drei Gruppen eintritt,

die aber mit der Theilung, die unter Zugrundelegung der Puncte statt

fand, nicht coincidirt.

Wenden wir auf einen Punct alle Berührungstransformationen an, so geht

er in die Gesammtheit aller Puncte, Curven und Flächen über. In ihrer

Gesammtheit erst bilden also Puncte, Curven und Flächen einen Körper

unserer Gruppe. Man mag daraus die allgemeine Regel abnehmen, dass die

formale Behandlung eines Problems im Sinne aller

Berührungstransformationen (also etwa die sogleich vorzutragende Theorie

der partiellen Differentialgleichungen) eine unvollkommene werden muss,

sowie man mit Punct- (oder Ebenen-) Coordinaten operirt, da die zu

Grunde gelegten Raumelemente eben keinen Körper bilden.

Alle in dem gen. Körper enthaltene Individuen als Raumelemente

einzuführen, geht aber, will man in Verbindung mit den gewöhnlichen

Methoden bleiben, nicht an, da deren Zahl unendlichfach unendlich ist.

Hierin liegt die Notwendigkeit, bei diesen Betrachtungen nicht den

Punct, nicht die Curve oder die Fläche, sondern das Flächenelement,

d. h. das Werthsystem x, y, z, p, q als Raumelement einzuführen. Bei

jeder Berührungstransformation wird aus jedem Flächenelemente ein neues;

die fünffach unendlich vielen Flächenelemente bilden also einen Körper.

Bei diesem Standpuncte muss man Punct, Curve, Fläche gleichmässig als

Aggregate von Flächenelementen auffassen, und zwar von zweifach

unendlich vielen. Denn die Fläche wird von ∞^2 Elementen bedeckt,

die Curve von ebenso vielen berührt, durch den Punct gehen ∞^2

hindurch. Aber diese zweifach unendlichen Aggregate von Elementen haben

noch eine characteristische Eigenschaft gemein. Man bezeichne als

vereinigte Lage zweier consecutiven Flächenelemente x, y, z, p, q und

x+dx, y+dy, z+dz, p+dp, q+dq die Beziehung, welche durch

dz - pdx - qdy = 0

dargestellt wird. So sind Punct, Curve, Fläche übereinstimmend zweifach

unendliche Mannigfaltigkeiten von Elementen, deren jedes mit den einfach

unendlich vielen ihm benachbarten vereinigt liegt. Dadurch sind Punct,

Curve, Fläche gemeinsam characterisirt, und so müssen sie auch, wenn man

die Gruppe der Berührungstransformationen zu Grunde legen will,

analytisch repräsentirt werden.

Die vereinigte Lage consecutiver Elemente ist eine bei beliebiger

Berührungstransformation invariante Beziehung. Aber auch umgekehrt

können die Berührungstransformationen definirt werden als diejenigen

Substitutionen der fünf Veränderlichen x, y, z, p, q, vermöge deren die

Relation dz-pdx-qdy=0 in sich selbst übergeführt wird. Der Raum ist also

bei diesen Untersuchungen als eine Mannigfaltigkeit von fünf Dimensionen

anzusehen und diese Mannigfaltigkeit hat man zu behandeln, indem man als

Gruppe die Gesammtheit aller Transformationen der Variabeln zu Grunde

legt, welche eine bestimmte Relation zwischen den Differentialen

ungeändert lassen.

Gegenstand der Untersuchung werden in erster Linie diejenigen

Mannigfaltigkeiten, welche durch eine oder mehrere Gleichungen zwischen

den Variabein dargestellt werden, d. h. die partiellen

Differentialgleichungen erster Ordnung und ihre Systeme. Eine Hauptfrage

wird, wie sich aus den Mannigfaltigkeiten von Elementen, die gegebenen

Gleichungen genügen, einfach, zweifach unendliche Reihen von Elementen

ausscheiden lassen, deren jedes mit einem benachbarten vereinigt liegt.

Auf eine solche Frage läuft z. B. die Aufgabe der Lösung einer

partiellen Differentialgleichung erster Ordnung hinaus. Man soll — so

kann man sie formuliren — aus den vierfach unendlich vielen Elementen,

die der Gleichung genügen, alle zweifach unendlichen Mannigfaltigkeiten

der bewussten Art ausscheiden. Insbesondere die Aufgabe der

vollständigen Lösung nimmt jetzt die präcise Form an: man soll die

vierfach unendlich vielen Elemente, die der Gleichung genügen, auf eine

Weise in zweifach unendlich viele derartige Mannigfaltigkeiten zerlegen.

Ein Verfolg dieser Betrachtung über partielle Differentialgleichungen

kann hier nicht in der Absicht liegen; ich verweise in Bezug hierauf auf

die citirten Lieschen Arbeiten. Es sei nur noch hervorgehoben, dass für

den Standpunct der Berührungstransformationen eine partielle

Differentialgleichung erster Ordnung keine Invariante hat, dass jede in

jede andere übergeführt werden kann, dass also namentlich die linearen

Gleichungen nicht weiter ausgezeichnet sind. Unterscheidungen treten

erst ein, wenn man zu dem Standpuncte der Puncttransformationen

zurückgeht.

Die Gruppen der Berührungstransformationen, der Puncttransformationen,

endlich der projectivischen Umformungen lassen sich in einer

einheitlichen Weise characterisiren, die ich hier nicht unterdrücken

mag[^29]. Berührungstransformationen wurden bereits definirt als

diejenigen Umformungen, bei denen die vereinigte Lage consecutiver

Flächenelemente erhalten bleibt. Die Puncttransformationen haben dagegen

die characteristische Eigenschaft, vereinigt gelegene consecutive

Linienelemente in eben solche zu verwandeln: die linearen und

dualistischen Transformationen endlich bewahren die vereinigte Lage

consecutiver Connex-Elemente. Unter einem Connex-Elemente verstehe ich

die Vereinigung eines Flächenelementes mit einem in ihm enthaltenen

Linienelemente; consecutive Connexelemente heißen vereinigt gelegen,

wenn nicht nur der Punct sondern auch das Linienelement des einen in dem

Flächenelemente des anderen enthalten ist. Die (übrigens vorläufige)

Bezeichnung: Connexelement bezieht sich auf die von Clebsch

neuerdings[^30] in die Geometrie eingeführten Gebilde, welche durch eine

Gleichung dargestellt werden, die gleichzeitig eine Reihe Punct-, eine

Reihe Ebenen- und eine Reihe Liniencoordinaten enthalten, und deren

Analoga in der Ebene Clebsch als Connexe bezeichnet.

§.10. Ueber beliebig ausgedehnte Mannigfaltigkeiten.

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Es wurde bereits wiederholt hervorgehoben, wie bei der Anknüpfung der

bisherigen Auseinandersetzungen an die räumliche Vorstellung nur der

Wunsch maßgebend war, die abstracten Begriffe durch Anlehnung an

anschauliche Beispiele leichter entwickeln zu können. An und für sich

sind die Betrachtungen von dem sinnlichen Bilde unabhängig und gehören

dem allgemeinen Gebiete mathematischer Forschung an, das man als die

Lehre von den ausgedehnten Mannigfaltigkeiten, oder (nach Grassmann)

kurz als Ausdehnungslehre bezeichnet. Wie man die Uebertragung des

Vorhergehenden vom Raume auf den blossen Mannigfaltigkeitsbegriff zu

bewerkstelligen hat, ist ersichtlich. Es sei dabei nur noch einmal

bemerkt, dass wir bei der abstracten Untersuchung, der Geometrie

gegenüber, den Vortheil haben, die Gruppe von Transformationen, welche

wir zu Grunde legen wollen, ganz willkürlich wählen zu können, während

in der Geometrie eine kleinste Gruppe, die Hauptgruppe, von Vornherein

gegeben war.

Wir mögen hier nur die folgenden drei Behandlungsweisen, und auch diese

ganz kurz berühren.

1. Die projectivische Behandlungsweise oder die moderne Algebra

(Invariantentheorie).

Ihre Gruppe besteht in der Gesammtheit der linearen und dualistischen

Transformationen der zur Darstellung des Einzelnen in der

Mannigfaltigkeit verwendeten Veränderlichen; sie ist die

Verallgemeinerung der projectivischen Geometrie. Es wurde bereits

hervorgehoben wie diese Behandlungsweise bei der Discussion des

unendlich Kleinen in einer um eine Dimension mehr ausgedehnten

Mannigfaltigkeit zur Verwendung kommt. Sie schliesst die beiden noch zu

nennenden Behandlungsweisen in dem Sinne ein, als ihre Gruppe die bei

jenen zu Grunde zu legende Gruppe umfasst.

Vergleichende Betrachtungen über neuere geometrische Forschungen · 第 3 / 5 题