Coordenadas de una recta y principio de dualidad

Consideremos de nuevo la ecuación ux+vy+wz=0 de una recta en coordenadas homogéneas. A los números u, v y w les llamó Plücker coordenadas de la recta. En esta ecuación las coordenadas de la recta y el punto juegan papeles simétricos, lo cual permite dos interpretaciones diferentes. Si u, v y w son números fijos y x, y y z variables, representa una recta. Pero si fijamos un punto P=(x, y, z) y dejamos libres las coordenadas de la recta, representa el haz de todas las rectas que pasan por P. De este modo se justifica algebraicamente el principio de dualidad de la geometría proyectiva, que afirma que el intercambio de las palabras “punto” y “recta” en un teorema da lugar a otro teorema. En efecto, las palabras “punto” y “recta” corresponden en geometría analítica a las palabras “constante” y “variable”, y por la simetría de la expresión, es claro que todo teorema se puede enunciar de dos maneras, cada una de ellas dual de la otra.

La introducción de los números complejos en geometría

Es cosa sabida que, dentro de los números reales, solo los positivos tienen raíz cuadrada. Entonces, para de dotar de raíz cuadrada a los que carecen de ella, hay que crear más números. Para ello postulamos un número i tal que i²=-1, y consideramos después todos los objetos de la forma a+bi (con a y b números reales), a los cuales llamamos números complejos. El número a es parte real del complejo y b la parte imaginaria. Las posibilidades algebraicas de estos nuevos números son mucho mayores, y no se pierden las ya existentes, porque los números reales pueden ser pensados como complejos de parte imaginaria cero.

Cada número complejo a+bi se puede asociar con el punto del plano (a, b), suministrando de este modo un soporte visual al conjunto de los complejos. Esto, con ser útil, en cierta medida empaña sus verdaderas posibilidades geométricas. Si en lugar de asociar el punto (a, b) con el complejo a+bi, se le identifica con el par de números complejos (a+0i, b+0i), el plano real (entendido como el conjunto de pares de números reales) queda sumergido en el plano complejo (entendido como el conjunto de pares de números complejos). De esta manera se puede hacer una geometría analítica sobre los números complejos, en la cual el plano real es tan solo la parte visible de esta geometría. Pensemos, por ejemplo, en la circunferencia de ecuación X²+Y²=25 y en la recta de ecuación 2X+Y=15. Quien intente resolver el sistema formado por ambas ecuaciones llegará a la raíz de un número negativo. Si trabaja en geometría real, allí habrá de parar en seco. Pero si sigue adelante con la ayuda de los números complejos, verá cómo la recta y la circunferencia tienen en común los puntos P=(6+2i, 3-4i) y Q=(6-2i, 3+4i). Entonces, si en la geometría real se afirma que una recta y una circunferencia se cortan como mucho en dos puntos, en compleja podemos asegurar que se cortan exactamente en dos puntos. La curva de ecuación X²+Y²=0, que en el plano real consta de un único punto, en el complejo se desdobla en las rectas X+iY=0 y X-iY=0.

Plücker sacó un extraordinario partido de la introducción de los números complejos en la geometría. Definió las coordenadas homogéneas complejas del mismo modo que las reales, y dio a los puntos J=(1, i, 0) y J*=(1, -i, 0), los llamados puntos cíclicos, la importancia que merecían. Estos puntos se llaman así porque, de todas las curvas de segundo grado, solo las circunferencias pasan por ellos. En efecto, sea una cónica cualquiera en coordenadas homogéneas:

e imponemos que pase por uno de los puntos cíclicos. Un cálculo muy sencillo demuestra que a=c, b=0. Además, como a≠0 y c≠0 (de lo contrario la cónica no sería tal), podemos suponer a=c=1, y la ecuación de la curva queda de este modo (ya en coordenadas cartesianas ordinarias):

Claramente, representa una circunferencia. Las rectas que pasan por uno de los puntos cíclicos se llaman isótropas, y son de la forma X±iY+c=0. En ambos casos, la pendiente es un número igual al opuesto de su inverso, luego son perpendiculares a sí mismas. Las rectas isótropas solo se dejan ver en un punto.

Utilizando los puntos cíclicos, dio Plücker una definición de foco de una cónica aplicable a curvas de grado superior: un punto del plano de una cónica es foco de ésta si las tangentes trazadas desde él pasan por los puntos cíclicos.