幾何的前世今生(一):除了歐氏幾何,你聽說過非歐幾何嗎?

2021-02-18 數學經緯網

引言:幾何作為數學三大基石之一,在數學中的地位可謂不言而喻。我們從小就學習幾何。初中的勾股定理,高中的射影定理、角平分線定理,無不是幾何學的重要內容。

但是,大家知道嗎?

其實我們在中學學習的幾何,只是幾何學中的一種幾何,那就是著名的歐幾裡得幾何。歐氏幾何傳承了兩千多年,關於它,我們要從希臘數學開始談起。

早在遙遠的希臘,數學家就被幾何無限的魅力所傾倒。2000多年前,一本影響至今的數學巨——《幾何原本》劃破人類文明的長夜,橫空出世。《幾何原本》由歐幾裡得編著,大約成書於公元前300年。

《幾何原本》全面、系統地整理了遠古人類創造的零散數學成果,以五大公設為基礎,由簡單到複雜,用嚴謹的邏輯思維進行了層層推理和嚴格證明。全書十三篇,其主要內容為:

第1-4篇:直邊形和圓的基本性質;

第5篇:比例理論

第6篇利用第5篇的比例理論討論相似形

第7-9篇:講述數論(即講述關於整數和整數之比的性質),這三篇也是《原本》中純粹討論算數的唯一篇章;

第10篇:著手對無理量進行分類;

第11-13篇:立體幾何窮竭法

全書先後論述了直邊形、圓、比例論、相似形、數、立體幾何等內容,應用了豐富的數學思想:分析法、綜合法和歸謬法。全書縝密的邏輯可謂美妙絕倫,令人陶醉。

徐光啟在評論《幾何原本》時說過,

此書為益能令學理者祛其浮氣,練其精心;

學事者資其定法,發其巧思,

故舉世無一人不當學。

同時又說,

能精此書者,無一事不可精;

好學此書者,無一事不可學。

愛因斯坦則更是認為:

如果歐幾裡得未激發你少年時代的科學熱情,那你肯定不是天才科學家。

兩千多年來,《幾何原本》一直是學習數學幾何部分的主要教材。哥白尼伽利略笛卡爾牛頓等許多偉大的學者都曾潛心學習過《幾何原本》,從中汲取了豐富的營養,對他們後來的研究產生了巨大的影響。

《幾何原本》是最早的一本內容全面、結構系統的數學書,它的問世是古代文明史上的一大壯舉。人類第一次用「公理系統」構建起了古代數學的幾何大廈,對近代和現代數學,產生了深遠的影響。

非歐幾何開始於對歐氏幾何第五公設(即平行公設)的研究。

1.任意兩點可以通過一直線連接。

2. 任意線段都能延伸成一直線。

3. 任意線段可以一個端點為圓心、該線段為半徑作圓。

4. 所有直角都全等。

5.若兩直線都與第三條相交,並且在同一邊內角和小於兩直角,則這兩條直線在這一邊必相交。

歐幾裡得的第五公設,也稱平行公設。在歐氏幾何的所有公設中,唯獨這條公設顯得比較特殊,它的敘述不像其它公設那樣簡潔明了。當時就有人懷疑它不像一個公設而更像是一個定理,並產生了從其它公設和定理推出這條公設的的想法。

數學家們對平行公設是否能使用其他九個公理證明的問題,進行了許多的嘗試,直到非歐幾何的誕生,才終止了嘗試。比如羅氏幾何中三角形的內角和小於180度

非歐幾何的產生和發展,在客觀上對研究了兩千多年的第五公設作了總結。它打破了兩千年來歐幾裡得幾何一統天下的局面,從根本上改變了人們的幾何觀,是自希臘時代以來數學中一個重大的革新步驟

同時,非歐幾何使數學哲學的研究進入了一個嶄新的歷史時期。18世紀和19世紀前半期最有影響的康德哲學,它的自然科學基礎支柱之一是歐幾裡得空間。非歐幾何的創立,衝破傳統觀念並破除千百年來的思維習慣,數學的絕對真理觀點刮來一場暴風,給康德唯心主義哲學以有力一擊,使數學從傳統的形上學的束縛下解放出來。

儘管我們在中學一直學習的只是歐氏幾何的部分內容,但我們一定要知道,在今天的幾何學中,歐氏幾何僅僅是其中的一個分支,我們生存的空間也並不是歐氏幾何所描述的那樣。

歐氏幾何縝密的邏輯和嚴格的推理令人著迷,這是我們需要學習的地方。但如果因此就認為只有歐氏幾何這一種幾何,未免貽笑大方。我們承認歐氏幾何的歷史價值和現實意義,我們更要去探索未知的幾何和能描述真實世界的幾何

相關焦點

  • 絕世傳奇——非歐幾何還原為歐氏幾何
    例如非歐幾何和歐氏幾何的關係。非歐幾何向歐氏幾何的還原是映射式還原的典型案例。歐氏幾何第五公理(平行公理)的證明是一個持續了2000年的數學難題,無數的嘗試都失敗了。因此,即使經過了30多年,直到1856年2月12日羅巴切夫斯基逝世,非歐幾何也未得到數學界認可。直到非歐幾何向歐氏幾何的還原工作完成,非歐幾何才得到數學界的理解和認可。
  • 幾何的前世今生(七):非歐幾何的陳年舊事
    他把這種新幾何最初稱之為「反歐幾何」,後稱「星空幾何」,最後稱「非歐幾何」。但是,高斯由於害怕新幾何會激起學術界的不滿和社會的反對,會因此影響他的尊嚴和榮譽,生前一直沒敢把自己的這一重大發現公之於世,只是謹慎地把部分成果寫在日記和與朋友的往來書信中。
  • 讓我們來談談歐氏幾何是如何發展成非歐幾何的
    歐氏幾何歐幾裡得幾何「歐氏幾何」的縮寫是幾何的一個分支。由於羅巴切forsky和黎曼修改了幾何中的第五公理,形成了一個邏輯自洽的知識體系,由於得到的許多結論不符合歐氏幾何,因此他們統稱為非歐幾何。非歐幾何體羅氏幾何體假設任何數量的平行線都可以通過與線外的一個點相交來實現。
  • 初中幾何與歐氏幾何
    這一公設語句較長,表述複雜,遠不像前4條公設那樣簡單明了,因此有數學家研究用一個更簡單明了的等價命題來替代它,其中最簡明的等價命題是「在平面內過已知直線外一點,只有一條直線與已知直線平行」。後來,人們把這一與第五公設等價的命題稱為「歐幾裡得平行公理」[1]。由於時代的局限性,歐幾裡得的《原本》也存在很多缺陷。為此,很多數學家對它進行了不懈的研究。
  • 非歐幾何的創立與數學的變革
    假設第五公設是可證的,即第五公設可由其它公理公設推演出來,那麼,在新公理系統的推演過程中一定能出現邏輯矛盾,至少第五公設和它的否定命題就是一對邏輯矛盾;反之,如果推演不出矛盾,就反駁了「第五公設可證」這一假設,從而也就間接證得「第五公設不可證」。經過了漫長的時間旅途,最終登上最高峰的非歐幾何創立人是三位數學家:高斯、鮑耶和羅切夫斯基。
  • 小學生學習的幾何知識是歐氏幾何嗎?
  • 幾何學有8大分支:歐氏幾何2000餘歲,分形幾何不足100歲
    廣義的來講,非歐幾何就是歐氏幾何之外的幾何;狹義的講,非歐幾何就是羅氏幾何;一般通常認為羅氏幾何和黎曼幾何合稱非歐幾何。因此,羅巴切夫斯基認為:第五公設不能被證明;基於新公理系統建立的幾何和歐氏幾何一樣是完善的、嚴密的。有意思的是:匈牙利的數學家鮑耶幾乎同時獨立地發現了歐式幾何第五公設不可證明以及非歐幾何的存在;而且似乎那個時代被譽為「數學王子」的高斯更早發現第五公設不能被證明,並研究了非歐幾何。
  • 數學研究方向簡介——非歐幾何
    非歐幾何學是一門大的數學分支,一般來講 ,他有廣義、狹義、通常意義這三個方面的不同含義。所謂廣義是泛指一切和歐幾裡的幾何學不同的幾何學,狹義的非歐幾何只是指羅式幾何來說的,至於通常意義的非歐幾何,就是指羅式幾何和黎曼幾何這兩種幾何。歐幾裡得的《幾何原本》提出了五條公設,長期以來,數學家們發現第五公設和前四個公設比較起來,顯得文字敘述冗長,而且也不那麼顯而易見。有些數學家還注意到歐幾裡得在《幾何原本》一書中直到第二十九個命題中才用到,而且以後再也沒有使用。
  • 百度百科:歐氏幾何公理
    歷史影響古希臘大數學家歐幾裡德是與他的巨著--《幾何原本》一起名垂千古的。這本書是世界上最著名、最完整而且流傳最廣的數學著作,也是歐幾裡德最有價值的一部著作。哥白尼、伽利略、笛卡爾、牛頓等許多偉大的學者都曾學習過《幾何原本》,從中吸取了豐富的營養,從而作出了許多偉大的成就。 公理內容五條幾何公理1.過相異兩點,能作且只能作一直線(直線公理)。2.線段(有限直線)可以任意地延長。3.以任一點為圓心、任意長為半徑,可作一圓(圓公理)。
  • 歐氏幾何(Euclidean geometry)
    歐氏幾何全稱歐幾裡德幾何學。古希臘數學家歐幾裡德(Euclid,約公元前330-275)按照邏輯體系把幾何命題整理起來,用公理法建立起演繹體系,使幾何成為一門獨立的、演繹的科學。
  • 三角形內角和一定是 180°嗎?絕世傳奇,怪誕的非歐幾何
    但結果無一成功。於是便有聰明人反其道而行之,否定它,看會有什麼結果。這一否定便掀開了幾何學乃至整個數學史上革命性的一頁一非歐幾何的誕生。直到1868年,義大利數學家貝特拉米發表了一篇著名論文《非歐幾何解釋的嘗試》,證明非歐幾何可以在歐氏空間的曲面上實現。這就是說,非歐幾何命題可以「翻譯」成相應的歐氏幾何命題,如果歐氏幾何沒有矛盾,非歐幾何也就自然沒有矛盾。
  • 三角形內角和一定是180°嗎?絕世傳奇,怪誕的非歐幾何
    但結果無一成功。於是便有聰明人反其道而行之,否定它,看會有什麼結果。這一否定便掀開了幾何學乃至整個數學史上革命性的一頁一非歐幾何的誕生。    由於太過超前,所以羅氏幾何一直不為主流學術接受。直到1868年,義大利數學家貝特拉米發表了一篇著名論文《非歐幾何解釋的嘗試》,證明非歐幾何可以在歐氏空間的曲面上實現。這就是說,非歐幾何命題可以「翻譯」成相應的歐氏幾何命題,如果歐氏幾何沒有矛盾,非歐幾何也就自然沒有矛盾。
  • 並不神秘的非歐幾何,它究竟講的是什麼?五分鐘帶你搞懂
    歐氏幾何是人類創立的第一個完整的嚴密的(相對而言)科學體系。它於公元前三世紀由古希臘數學家歐幾裡得完成,歐洲數學2000年發展史,幾乎有四分之三的時間裡歐氏幾何一統天下,對科學和哲學的影響極其深遠。直到魏爾斯特拉斯發起的分析算術化運動使代數從歐氏幾何中完全脫離以及非歐幾何的誕生才結束了歐氏幾何的統治地位。
  • 非歐幾何將現代科學引入了歧途
    於是,羅巴切夫斯基便想當然地大膽斷言,這個新公理系統可構成一種新的幾何,它的邏輯完整性和嚴密性可以和歐幾裡得幾何相媲美。於是,由「羅氏幾何的非歐幾何就這樣誕生了。至此可以看出,所謂的「非歐幾何」重點就在這個「非」字上,其基本邏輯就是:我不管這個「非」是否有沒有道理,先「非」了再說,只要「非」後的推理沒有邏輯錯誤就可以。
  • 【數學日曆】1月27日:什麼是非歐幾何?
    1860年1月27日,匈牙利數學家、非歐幾何的先驅波爾約·亞諾什(Bolyai Janos)去世。(冷知識:匈牙利人是歐洲唯一姓在前、名在後的民族,有些文獻寫成亞諾什·波爾約其實是英語的改造。)這是他一生中唯一的數學論文,並且長期未得到學界普遍關注,卻具有重要的歷史地位,是非歐幾何的奠基之作。為紀念波爾約的這一貢獻,1905年匈牙利數學會設立了Bolyai獎,獎勵那些為數學進展做出重大貢獻的人,第一屆獲獎者是龐加萊,第二屆(1910)獲獎者是希爾伯特,2020年的獲獎者是天才華裔數學家陶哲軒。波爾約還曾研究過數論,提出過類似於後來哈密爾頓的四元數的構想。
  • 兩條平行線必相交——非歐幾何的創立
    細心的學者發現,在《幾何原本》中,歐幾裡得直到第二十九條命題才使用第五公設,也就是說,不依靠第五公設就已經能推出前二十八個命題了。而且二十九命題之後也沒使用過第五公設。如此看來,將其置於公設的位置未免有些浪費,能不能降個檔次,作為定理使用呢?這就是幾何史上著名的「平行線理論」,這一爭議持續了很久,長達兩千多年,並引出了非歐幾何學這一門分支。
  • 50個孩子一定要知道的世界科學奇蹟-29.歐氏幾何
    29.歐氏幾何  奇蹟概覽  歐氏幾何全稱歐幾裡德幾何學。
  • 科學發現 兩條平行線必相交——非歐幾何的創立
    那麼,幾何呢?有著怎麼樣的歷史呢?又有哪些分類呢?約在公元前4世紀左右,歐幾裡得——古希臘偉大的數學家,就著手處理一些人們公認的一些幾何知識,並在基礎上研究了圖形的性質,推導演繹出了若干定理,寫了《幾何原本》,這就是所謂的歐氏幾何。歐式幾何五公設和五定理,大多數人都有所耳聞。先解釋一下公設和定理的概念。
  • 非歐幾何的創始人——歐幾裡得
    歐幾裡得的《幾何原本》至今仍然是中學平面兒何的基石。《幾何原本》共13卷,第一卷上有35條定義、5條公理和5條公設。這些公理和公設是全書的基石,其他的命題和定理都是這些定義、公理和公設的邏輯推理在五條公設中,前四條都容易驗證如兩點之間可以連一直線。
  • 教科書級別的數學益智遊戲,《歐氏幾何》讓你不想停下學習的腳步!
    建立對數學這門高深學科的興趣今天就帶同學們一起進入《歐氏幾何》的世界在解題過程中體驗數學的神奇魅力一進入遊戲界面,「幾何之父」歐幾裡得的形象便躍然眼前,他的著作《幾何原本》為古代歐洲的數學研究奠定了基礎。