Proyección afín
# Proyección afín

En geometría afín, una proyección afín es una aplicación de los puntos de un espacio sobre un subespacio, en el que un punto y su imagen están en una dirección fija llamada dirección de la proyección.

Así, la sombra proyectada por el sol sobre una superficie plana de los objetos en el espacio es, en primera aproximación,, una proyección del espacio sobre un plano según la dirección de los rayos del sol.

Las proyecciones afines son útiles para construir representaciones del plano o del espacio. También intervienen en la construcción de afinidades. Se utilizan en algunas representaciones bidimensionales de objetos tridimensionales, y entonces se habla de perspectiva axonométrica.

En un espacio euclídeo, cuando la dirección de la proyección es ortogonal al subespacio sobre el que se proyecta, se habla de una proyección ortogonal. Cuando la dirección no es fija pero hay un punto fijo de modo que un punto y su imagen siempre están alineados con el punto fijo, no es una proyección afín sino una proyección central.

## Proyección en geometría plana

### Propiedades

En geometría plana, se considera una recta D del plano y una dirección Δ no paralela a D. La proyección sobre la recta D según la dirección Δ transforma el punto A en un punto A' tal que:

* A' está en la recta paralela a Δ que pasa por A
* A' está a la derecha D

Al no ser paralelas las dos rectas anteriores, se encuentran en un punto único. lo que garantiza la existencia y unicidad de A' cuando se da un punto A.

Se observa que, si A pertenece a la recta D, es su propia proyección. Finalmente, cualquier punto A' situado en D es la proyección de una infinidad de puntos: todos los puntos situados en la recta que pasa por A' y es paralela a Δ se proyectan sobre A'. Entonces la proyección no es inyectiva, y por lo tanto, no es biyectiva.

La proyección es una transformación afín. Esto significa que preserva los baricentros: si A y B son dos puntos y si a y b son dos números reales tales que a + ' 'b es distinto de cero y si G es el baricentro de los puntos A y B a los que se les asignan los coeficientes a y b, la proyección del punto G sigue siendo el baricentro de las proyecciones de A y B a las que se les asignan los mismos coeficientes a y b.

En particular, si A, B y C son tres puntos alineados y si A', B' y C' son sus puntos proyectados, entonces la proyección mantiene las siguientes relcaicones algebraicas:

    ${\frac {\overline {AB}}{\overline {AC}}}={\frac {\overline {A'B'}}{\overline {A'C'}}}$

Esta propiedad es comparable con el teorema de Tales.

La aplicación afín está asociada a un aplicación lineal sobre los vectores del plano ${\vec {p}}$, de manera que ${\vec {p}}({\overrightarrow {AB}})={\overrightarrow {A'B'}}$:

    ${\vec {p}}({\overrightarrow {AB}}+{\overrightarrow {AC}})={\vec {p}}({\overrightarrow {AB}})+{\vec {p}}({\overrightarrow {AC}})$

y si k es un escalar, entonces

    ${\vec {p}}(k{\overrightarrow {AB}})=k{\vec {p}}({\overrightarrow {AB}})$.

Esta aplicación lineal es un operador de proyección.

### Proyecciones y coordenadas cartesianas

Las líneas rectas D y Δ se cruzan en O. Entonces, sea A' la proyección de A sobre D paralela a Δ, y A'' la proyección de A sobre Δ paralela a D. Entonces :

    ${\overrightarrow {OA}}={\overrightarrow {OA'}}+{\overline {OA''}}$

Si u es un vector de dirección de D y v es un vector de dirección de Δ, (0,u,v) es un sistema de coordenadas afín de avión. Si las coordenadas de A en este sistema de coordenadas son (x, y), entonces:

    ${\overrightarrow {OA'}}=x\cdot u\ ;\ \ {\overrightarrow {OA''}}=y\cdot v.$

### Proyección paralela a una recta en geometría analítica

Sea ${\vec {u}}$ un vector de dirección de Δ de componentes $(x_u,$ $y_u).$ Cualquiera

    a·x + b·y + c = 0

la ecuación de D. Sea el punto A con coordenadas $(x_A,$ $y_A)$ y su proyección A' con coordenadas $(x_{A'},$ $y_{A'}).$

Como (AA') es paralelo a Δ, existe un escalar k tal que

    ${\overrightarrow {AA'}}=k\cdot {\vec {u}}$

cualquiera

    $\left\{{\begin{matrix}x_{A'}-x_{A}=k\cdot x_{u}\\y_{A'}-y_{A}=k\cdot y_{u}\end{matrix}}\right.$

Además, A está en D, lo que significa que

    $a·x_{A'}$ + $b·y_{A'}$ + c = 0

por lo tanto obtenemos

    $a·(k·x_u$ + $x_A)$ + $b·(k·y_u$ + $y_A'$ ' ') + c = 0

De donde

    $k=-{\frac {a\cdot x_{A}+b\cdot y_{A}+c}{a\cdot x_{u}+b\cdot y_{u}}}$

$(a·x_u$ + $b·y_u$ no es cero ya que ${\vec {u}}$ no es colineal con D) por lo tanto

    $\left\{{\begin{matrix}x_{A'}=-{\frac {a\cdot x_{A}+b\cdot y_{A}+c}{a\cdot x_{u}+b\cdot y_{u}}}\cdot x_{u}+x_{A}\\y_{A'}=-{\frac {a\cdot x_{A}+b\cdot y_{A}+c}{a\cdot x_{u}+b\cdot y_{u}}}\cdot y_{u}+y_{A}\end{matrix}}\right.$

cualquiera

    $\left\{{\begin{matrix}x_{A'}={\frac {b\cdot (x_{A}y_{u}-y_{A}x_{u})-c\cdot x_{u}}{a\cdot x_{u}+b\cdot y_{u}}}\\y_{A'}={\frac {a\cdot (y_{A}x_{u}-x_{A}y_{u})-c\cdot y_{u}}{a\cdot x_{u}+b\cdot y_{u}}}\end{matrix}}\right.$

==Proyección en geometría en el espacio==.

### Proyección sobre un plano paralelo a una línea recta

**Presentación**

En el espacio, considérese un plano Π y una recta Δ no paralela a Π. La proyección sobre el plano Π según la dirección Δ transforma el punto A en un punto A' tal que:

* A' pertenece al plano Π
* A' está en la recta paralela a Δ que pasa por A

El plano y la recta no son paralelos y se cortan en un único punto, lo que garantiza la existencia y unicidad de A' cuando se da un punto A. Si Δ es perpendicular a Π, entonces la proyección se llama orthogonale.

Encontramos las mismas propiedades que en la proyección anterior: si A pertenece al plano, A es su propia proyección. Cualquier punto A' del plano es la proyección de una infinidad de puntos situados en la recta que pasa por A' y es paralela a Δ

La proyección es una transformación afín, que preserva los baricentros y el paralelismo. Es decir, dos rectas paralelas se proyectan en dos puntos o en dos rectas igualmente paralelas. Este tipo de proyección permite representaciones planas de objetos en el espacio en forma de perspectives axonométriques como el perspectiva caballera.

Como para cualquier aplicación afín, el propriété de Thalès aún se verifica: si A, B y C son tres puntos alineados y si A', B' y C' son sus puntos proyectados, entonces

    ${\frac {\overline {AB}}{\overline {AC}}}={\frac {\overline {A'B'}}{\overline {A'C'}}},$

es decir, existe un escalar $\lambda$ que satisface ambos

    ${\overrightarrow {AB}}=\lambda ~{\overrightarrow {AC}}\quad {\text{et}}\quad {\overrightarrow {A'B'}}=\lambda ~{\overrightarrow {A'C'}}.$

De hecho, la aplicación afín está asociada con un aplicación lineal en los vectores espaciales, que envía ${\overrightarrow {AC}}$ en ${\overrightarrow {A'C'}}$ y ${\overrightarrow {AB}}$ en ${\overrightarrow {A'B'}}$.

El mapa lineal asociado con una proyección afín es un operador de proyección.

**Expresión analítica**

Sea ${\vec {u}}$ un vector de dirección de Δ de componentes $(x_u,$ $y_u,$ $z_u).$ Cualquiera

    a·x + b·y + c·z + d = 0

la ecuación de Π. Sea el punto A con coordenadas $(x_A,$ $y_A,$ $z_A)$ y su A proyectada con coordenadas $(x_{A'},$ $y_{A'}')$ , $z_{A'}).$

Como (AA') es paralelo a Δ, existe un escalar k tal que

    ${\overrightarrow {AA'}}=k\cdot {\vec {u}}$

cualquiera

    $\left\{{\begin{matrix}x_{A'}-x_{A}=k\cdot x_{u}\\y_{A'}-y_{A}=k\cdot y_{u}\\z_{A'}-z_{A}=k\cdot z_{u}\\\end{matrix}}\right.$

Además, A está en Π, lo que significa que

    $a·x_{A'}$ + $b·y_{A'}$ + $c·z_{A'}$ + d = 0

Vemos que desde el punto de vista analítico el problema es muy similar al anterior. Tenemos un sistema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas $x_{A'},$ $y_{A'},$ $z_{A'}$ y k. Obtenemos :

    $\left\{{\begin{matrix}x_{A'}={\frac {b\cdot (x_{A}y_{u}-y_{A}x_{u})+c\cdot (x_{A}z_{u}-z_{A}x_{u})-d\cdot x_{u}}{a\cdot x_{u}+b\cdot y_{u}+c\cdot z_{u}}}\\y_{A'}={\frac {a\cdot (y_{A}x_{u}-x_{A}y_{u})+c\cdot (y_{A}z_{u}-z_{A}y_{u})-d\cdot y_{u}}{a\cdot x_{u}+b\cdot y_{u}+c\cdot z_{u}}}\\z_{A'}={\frac {a\cdot (z_{A}x_{u}-x_{A}z_{u})+b\cdot (z_{A}y_{u}-y_{A}z_{u})-d\cdot z_{u}}{a\cdot x_{u}+b\cdot y_{u}+c\cdot z_{u}}}\\\end{matrix}}\right.$

En el caso de una proyección ortogonal y si el sistema de coordenadas es ortonormal, podemos elegir $x_u$ = a, $y_u$ = b y $z_u$ = es cualquiera

    $\left\{{\begin{matrix}x_{A'}={\frac {(b^{2}+c^{2})\cdot x_{A}-ab\cdot y_{A}-ac\cdot z_{A}-d\cdot a}{a^{2}+b^{2}+c^{2}}}\\y_{A'}={\frac {-ab\cdot x_{A}+(a^{2}+c^{2})\cdot y_{A}-bc\cdot z_{A}-d\cdot b}{a^{2}+b^{2}+c^{2}}}\\z_{A'}={\frac {-ac\cdot x_{A}-bc\cdot y_{A}+(a^{2}+b^{2})\cdot z_{A}-d\cdot c}{a^{2}+b^{2}+c^{2}}}\\\end{matrix}}\right.$

Si decidimos arbitrariamente que Π contiene el origen (d = 0) y que a² + b² + c² = 1, entonces tenemos

    $\left\{{\begin{matrix}x_{A'}=(b^{2}+c^{2})\cdot x_{A}-ab\cdot y_{A}-ac\cdot z_{A}\\y_{A'}=-ab\cdot x_{A}+(a^{2}+c^{2})\cdot y_{A}-bc\cdot z_{A}\\z_{A'}=-ac\cdot x_{A}-bc\cdot y_{A}+(a^{2}+b^{2})\cdot z_{A}\\\end{matrix}}\right.$

En el caso de proyección isométrica, elegimos |a| = |b| = |c| = 1/√3. Por ejemplo, si elegimos los tres valores positivos, tenemos

    $\left\{{\begin{matrix}x_{A'}=2/3\cdot x_{A}-1/3\cdot y_{A}-1/3\cdot z_{A}\\y_{A'}=-1/3\cdot x_{A}+2/3\cdot y_{A}-1/3\cdot z_{A}\\z_{A'}=-1/3\cdot x_{A}-1/3\cdot y_{A}+2/3\cdot z_{A}\\\end{matrix}}\right.$

### Proyección sobre una línea paralela a un plano

Con las mismas notaciones anteriores, podemos definir la proyección sobre Δ paralela a Π: transforma el punto A en un punto A' tal que

* A' está en Δ;
* A' pertenece al plano paralelo a Π que pasa por A

Como antes, el hecho de que la recta y el plano no sean paralelos permite decir que se cortan en un punto y garantiza la existencia y unicidad de A' cuando se da un punto A. Si Δ es perpendicular a Π, entonces se dice que la proyección es ortogonal.

Encontramos las mismas propiedades que en la proyección anterior: si A pertenece a la recta, A es su propia proyección. Cualquier punto A' de la recta es la proyección de una infinidad de puntos situados en el plano que pasa por A' y paralelo a Π.

Siempre es un transformación afín, por lo que el aplicación lineal asociado es un projection vectorielle, por lo que tiene las propiedades indicadas anteriormente.

### Proyecciones y coordenadas cartesianas

Considere tres rectas $D_1$ con vector de dirección $u_1,$ $D_2$ con vector de dirección $u_2$ y $D_3$ con vector de dirección $u_3,$ no coplanares y concurrente en un punto “O”.

Para un punto en el espacio "A", llamamos:

* $A_1$ la proyección de A sobre $D_1$ paralela al plano $(D_2,$ $D_3);$
* $A_2$ la proyección de A sobre $D_2$ paralela al plano $(D_3,$ $D_1);$
* $A_3$ la proyección de A sobre $D_3$ paralela al plano $(D_1,$ $D_2).$

Entonces :

    ${\overrightarrow {OA}}={\overrightarrow {OA_{1}}}+{\overrightarrow {OA_{2}}}+{\overrightarrow {OA_{3}}}$

y si A tiene coordenadas (x,y,z) en el sistema de coordenadas $(0,u_1,u_2,u_3),$ entonces

    ${\overrightarrow {OA_{1}}}=x\cdot u_{1}\ ;\ \ {\overrightarrow {OA_{2}}}=y\cdot u_{2}\ ;\ \ {\overrightarrow {OA_{3}}}=z\cdot u_{3}.$

## Definición general

En cualquier espacio afín, consideramos un sous-espace affine $F_{1}$ de dirección $V_{1}$ y un supplémentaire $V_{2}$ de $V_{1}$, llamamos proyección sobre $F_{1}$ según la dirección $V_{2}$, la aplicación que transforma cualquier punto A en el punto A' verificando:

* A' pertenece a $F_{1}$
* A' pertenece al subespacio $A+V_{2}$ (que pasa por A y en dirección $V_{2}$).

El hecho de que sus direcciones sean suplementarias garantiza que los dos subespacios $F_{1}$ y $A+V_{2}$ tengan solo un punto en común.

Demostramos que esta proyección $p$ es un mapa afín, cuyo mapa lineal asociado es el projection ${\vec {p}}$ sobre $V_{1}$ de dirección $V_{2}=\ker({\vec {p}})$, y cuyo conjunto de points fixes es $F_{1}=p(E)$. Por el contrario, cualquier mapa afín cuyo mapa lineal asociado sea una proyección y que tenga puntos fijos es una proyección afín.

Cualquier proyección afín $p$ es idempotente, es decir, $p\circ p=p$. Por el contrario, cualquier mapa afín idempotente es una proyección afín.

