Transformación afín

En geometría, una transformación afín o aplicación afín (también llamada afinidad) entre dos espacios afines (en particular, dos espacios vectoriales) consiste en una transformación lineal seguida de una traslación:

Una imagen de un helecho que exhibe autosimilitud afín.

En el caso de dimensión finita, toda transformación afín puede representarse por una matriz y un vector que satisfacen ciertas propiedades que se especifican más adelante.

Geométricamente, una transformación afín en un espacio euclídeo es una transformación que preserva:

  1. Las relaciones de colinealidad (y coplanaridad) entre puntos, es decir, puntos que recaían sobre una misma línea (o sobre un mismo plano) antes de la transformación, son preservadas tras una transformación afín.
  2. Las razones entre distancias a lo largo de una línea, es decir, para tres puntos alineados distintos las razones antes y después de la transformación son iguales.

En general, una transformación afín está compuesta de transformaciones lineales (rotaciones, homotecias y cizallamientos) compuestas con una traslación o desplazamiento. En el caso 1-dimensional A y b se llaman, respectivamente, la pendiente y el término independiente.

Definición matemática editar

Una transformación afín   entre dos espacios afines   y  es una aplicación sobre los puntos que actúa linealmente sobre los vectores que los unen. Formalmente,   es una transformación afín si existe una aplicación lineal   tal que  

 .

Propiedades editar

(1) Si   es una transformación lineal,   es única.

Por tanto, la denotaremos como  

Supongamos que existen dos aplicaciones   con la propiedad de la definición.

Fijamos   y   arbitrarios.

 

 

Por tanto,  , por lo que  . Así, sólo existe una aplicación lineal con las condiciones de la definición.  

(2) Si   es una transformación afín,

 

Tomamos   y   arbitrarios. Por definición de transformación afín, tenemos que

 

(3) Dada una combinación afín  , si   es una transformación afín,

 

Por definición de combinación afín,   con   arbitrario. Así,

 

donde se han utilizado la definición de combinación afín con punto auxiliar  , la propiedad (2), la linealidad de  , la definición de   si   es una transformación afín y la definición de combinación afín con punto auxiliar   en cada igualdad, respectivamente.  

(4) Dada una aplicación   y  , definimos

 

 

Entonces, son equivalentes,

(i)   es transformación afín.

(ii)   es lineal.

(iii)   tal que   es lineal.

(i)   (ii):
Sea   arbitrario. Queremos ver que   es lineal. Sean   y   Sabiendo que   es una transformación afín, podemos aplicar la propiedad (2) y la definición de  . Así, por esto y utilizando la definición de  
 
Por tanto,  , por lo que   es lineal para cualquier  , pues este era arbitrario.

(ii)   (iii):

Trivial.

(iii)   (i):

Para ver que   es una transformación afín, tenemos que ver que, fijando  , existe la aplicación lineal   tal que  .
Con el   de la hipótesis (iii), definimos   y  . De esto tenemos que   Ahora,
 
donde hemos utilizado que, por hipótesis,   es lineal.
De lo anterior, tenemos que, necesariamente,  , pero, por (iii),   es lineal, por lo que   es lineal y   es una transformación afín.

 

Caracterización geométrica editar

Veremos ahora que las transformaciones afines son y sólo son aquellas que conservan alineaciones de puntos y razones simples. Para ello, primero vamos a definir formalmente estas condiciones:

Dada  , diremos que   conserva alineaciones de puntos si

 ,

donde   representa el conjunto de las combinaciones afines del conjunto   o lo que es lo mismo, la variedad lineal más pequeña que contiene a  . La demostración de esto último se puede ver en el artículo de combinaciones afines.

Además, diremos que   conserva razones simples si cumple dos condiciones:

  •   conserva razones de puntos
  • Si   están alineados y   entonces  ,

donde, dados   alineados tales que  , definimos la razón simple   si   .

Con estas definiciones, tenemos el siguiente teorema:

Sea  , con   y   espacios afines sobre un cuerpo de característica  .

Entonces,

  es transformación afín     conserva alineaciones y razones simples

Veamos las dos implicaciones.

 :

Supongamos que   es transformación afín.
Veamos la conservación de alineaciones:
Sean   alineados en  . Escribimos que   para cierto  , por definición de combinación afín.
Aplicando   y utilizando la propiedad (3), que es cierta, pues   es transformación afín,
  están alineados.
Como   eran puntos alineados arbitrarios,   conserva alineaciones.
Veamos ahora la conservación de razones simples:
Supongamos que   están alineados y que   (y necesariamente, por tanto,  ). Podemos definir entonces
 
Ahora, utilizando que   es una transformación afín,
 
Por tanto,   conserva razones simples.

 

Supongamos ahora que   y que   conserva alineaciones y razones simples.
Tomamos   arbitrario y definimos   tal que  
Por la propiedad (4), para demostrar que   es una transformación afín, es suficiente ver que   es lineal. Hay que ver, pues, que lo es para el producto por escalar y para la suma. Veámoslo:
  • Producto por escalar:
Sean   y  . Queremos ver que   Distinguimos dos casos:
Supongamos que  :
Entonces,   Por otro lado, como   y   conserva alineaciones,
 
Por tanto,  , por lo que en este caso se cumple la linealidad.
Supongamos ahora que  :
Tenemos que   están alineados, por lo que, por hipótesis,   están alineados.
Calculamos la razón simple  
Por tanto,   y, como   conserva las razones simples,  
Así, en cualquier caso se cumple la linealidad para el producto por escalar.
  • Suma:
Sean   Queremos ver que  
Sea   que podemos definir porque la característica de   es distinta de 2. Como   forman un paralelogramo, tenemos que
 
  Supongamos que  .
Observamos que  
  Supongamos que  .
Entonces,  
Simétricamente, tenemos que  
Ahora, restando  , obtenemos que
 
 
 
 
Así   es lineal para la suma.
Por tanto,   es lineal y, por la propiedad (4),   es una transformación afín.  

Representación editar

El álgebra vectorial ordinaria usa la multiplicación por matrices para representar transformaciones lineales y la suma de vectores para representar traslaciones. Mediante "matrices ampliadas", resulta posible representar ambos tipos de transformaciones exclusivamente mediante multiplicación por matrices. La técnica para "ampliar los vectores" consiste en añadir un vector con una componente extra de valor unitario al resto de las componentes y a todas las matrices se le añade una columna al final con el vector que da la traslación y una fila al final con componentes cero y un 1 en la última posición, es decir:

 

O en forma más compacta:

 

Esta representación permite ver rápidamente que el conjunto de todas las transformaciones afines invertibles es el producto semidirecto  ; el grupo anterior bajo la operación de composición de transformaciones es un grupo llamado grupo afín de orden n. Como puede verse este grupo es un subgrupo de  .

Isometrías y semejanzas editar

Una transformación es invertible si y sólo si   es invertible. En la representación matricial descrita anteriormente, la inversa tiene la forma:

 

Las transformaciones afines invertibles (de un espacio afín en sí mismo) forman el llamado grupo afín que como se ha mencionado tiene al grupo lineal de orden n como subgrupo. El propio grupo afín de orden n es a su vez subgrupo del grupo lineal de orden n+1.

Transformación de imágenes editar

En el ámbito del procesamiento digital de imágenes, las transformaciones afines son análogas a imprimir en una hoja de goma y estirar los bordes de forma paralela al plano. Esta transformación reubica los píxeles que requieren interpolación de intensidad para aproximar el valor de los píxeles desplazados; la interpolación bicúbica es el estándar para hacer las transformaciones de imágenes en las aplicaciones de procesamiento de la imagen. Las transformaciones afines escalar, rotan, y hacen simetría especular y cizallamiento de imágenes según los ejemplos siguientes:

Nombre de la transformación Matriz afín Ejemplo
Identidad

(transforma la imagen original en sí misma)

 
 
Reflexión  
 
Escalado  
 
Rotación  
 
Con θ = π/6 =30°
Cizallamiento    

Referencias editar

Bibliografía editar