非歐幾何學是怎麼從歐式幾何學的夾縫中誕生的?

2021-01-15 徐曉亞然

2000多年前的歐幾裡得大師,憑藉五條最最基礎的公理,經過一系列嚴謹的邏輯推演證明,最終得出了博大精深的幾何世界。歐幾裡得第一次用幾何的語言來描述我們的世界,也讓人第一次見識到了邏輯證明的魅力。

歐幾裡得大師

在這5條公理裡有4條是非常顯而易見的,除了第5條看起來不像是一個很基礎的概念以外。第5條公理,我們又叫做平行公理。

「同一平面內的兩條直線與第三條直線相交,若其中一側的兩個內角之和小於二直角,則該兩直線必在這一側相交。」

這看起來就不像是一個簡單的公理,仿佛可以由另外4條公理推導而來。歷史上很多著名的幾何學家都幹過這事,不過,從來都沒有成功過。

於是人們開始領悟到,也許這第5公理,只是在歐式幾何世界裡的一個特性,並不是幾何學的全貌。如果我們創建一個別的第5公理,也許就可以推演出一門全新的幾何學,也就是非歐幾何學。

羅巴切夫斯基

在非歐幾何學的創建上,德國的高斯,俄國的羅巴切夫斯基、匈牙利數學家波爾約最先意識到,第5公理是可以被替代的。1830年,羅巴切夫斯基用羅氏平行公理替代了歐式幾何學中的平行公理,創立了第一個非歐幾何學——羅巴切夫斯基幾何。在這門幾何學裡有個基礎前提,「即在一個平面上,過已知直線外一點至少有兩條直線與該直線不相交。」而在歐式幾何學裡,就只能作出一條滿足條件的直線來。非歐幾何學一出,人們也意識到,我們身邊熟悉的形狀,輪廓並不是整個世界全部的面貌。這個世界仍然充滿著未知的神奇。

黎曼大神

1854年,黎曼大神又提出了一種新的幾何學,在黎曼幾何裡,他用這條一條奇怪的公理來替代了平行公理,「平面上兩條直線一定相交。」黎曼幾何在剛剛提出的時候並沒有引起什麼太大的波瀾,人們只是認為這是一種構造神奇的特別空間而已。

非歐幾何學的魅力

直到1916年,愛因斯坦廣義相對論的提出,愛因斯坦放棄了時空是均勻的這個人盡皆知的前提,整個時空只在小部分裡保持均勻。這一點剛好和黎曼幾何的意義相當符合,由此黎曼幾何也成了廣義相對論的數學基礎,經受住了一次次嚴苛實驗的考驗。

非歐幾何是從歐式幾何學的漏洞裡艱難涅槃而出的,但是一旦掙脫出來就會綻放出巨大的光芒。我們所見的世界絕對不是整個世界的全部,這個世界比我們想像中要更大更精彩。

黎曼幾何為廣義相對論提供了數學模型

另外,數學工具就像是戰爭時期的糧草一樣,所謂「三軍未動,糧草先行。」黎曼當年提出黎曼幾何的時候,是絕對不會想到自己的理論在60年以後會給人類最偉大的理論提供數學加持。

總之,數學永遠走在那些需要它們的理論定律前面。

相關焦點

  • 從歐式幾何到非歐幾何
    數學自誕生以來,便作為一門理論科學的分支,從起初簡單的數學運算開始,數學的發展給人們的日常生活帶來了很多的便利。
  • 19世紀幾何學的革命,非歐幾何如何塑造了哲學、科學、文化和藝術
    哲學家伊曼紐爾·康德(Immanuel Kant)說,空間的概念先驗存在於思想之中:當我們進行幾何構建時,重要的不是我們畫在紙上的形狀,而是我們在心理空間中看待它們的方式。我們在我們的心理空間中命令我們的感知,並且其屬性對於所有人類都是相同的。康德的空間觀是歐幾裡得式的。常人很難想像非歐幾何空間的觀念,或許這也就是非歐幾何空間可能看起來不像歐式幾何空間那樣「真」的原因。
  • 幾何學遠不止歐幾裡得這麼簡單,非歐幾何才是現代幾何學的重點!
    幾何學包羅萬象,分支眾多,其分類其實並不是絕對的,我們從幾何學的發展大致可以將它分為歐氏幾何與非歐幾何,非歐幾何又分為羅氏幾何和黎曼幾何、仿影幾何和拓撲幾何等.人們已經開始涉及微積分的概念.笛卡爾引入坐標系之後,代數與幾何的關係變得明朗,且日益緊密,這就促使了解析幾何的產生,從解析幾何的角度出發,幾何圖形的性質可以歸結為方程的分析性質和代數性質.總體來講,歐氏幾何的幾何結構是平坦的空間結構背景下考察,沒有真正關注彎曲空間下的幾何結構.歐幾裡得幾何公理本質上是描述平坦空間的幾何特性,特別是第五公設引起了眾多數學家對它的質疑.由此,人們開始關注彎曲空間的幾何即非歐幾何
  • 現代數學之幾何學的變革
    非歐幾何學的誕生非歐幾何學分別由三位數學家獨立地使用類似的方法,從普萊費爾公理出發,最終創立非歐幾何。他們分別是大名鼎鼎的高斯、匈牙利的J.鮑耶和俄國的羅巴切夫斯基。只是高斯生前沒有公開發表過自己在這方面的研究,他將這一新的幾何學命名為「非歐幾何學」。高斯年輕時在數論領域的貢獻,之後人生各階段,在數學的多個領域都有開創性的工作。
  • 兩條平行線必相交——非歐幾何的創立
    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。顧名思義,非歐幾何自然指的是一切和歐幾裡得幾何不同的幾何學,通常意義下,指的是羅氏幾何和黎曼幾何這兩種。狹義意義下,非歐幾何即羅氏幾何。
  • 幾何學有8大分支:歐氏幾何2000餘歲,分形幾何不足100歲
    目前,在世界範圍內的基礎教育階段要麼學習的幾何,要麼是歐式幾何,要麼是解析幾何。其中平面幾何、立體幾何中的幾何知識大多來自2000多年前的歐氏幾何,而包含二次曲線在內的解析幾何是17世紀發展起來的,要知道,在這兩個幾何學科誕生的時間點之間沒有其他的幾何產生。但是,幾何家族在近現代的發展迅速,不同的幾何學科出現在了數學家的視野裡。
  • 解析幾何學的誕生
    數學學科體系而17世界的幾何學主要有兩個方向:一個是德扎爾格的射影幾何學路線;另一個是笛卡爾建立起的解析幾何。解析幾何的誕生解析幾何的基本思想是在平面中引入坐標,建立坐標系,然後將一個形如f(x,y)=0的代數方程與平面上的一條曲線對應起來:將幾何問題轉化為代數問題,也通過對代數問題的研究發現新的幾何結果;代數問題也有了幾何意義的解釋。這一幾何學的分支的創立人是兩個法國數學家——笛卡爾和費爾馬。只是,他們最初使用的都是斜坐標系,把直角坐標系作為特殊情況。
  • 「幾何學中的哥白尼」:數學成果被質疑,卻在離世12年後成為經典
    或許直到現在我國很多數學老師看到這裡,仍然會覺得羅巴切夫斯基錯了,但是實際上,他開啟了非歐幾何學,突破了歐幾裡得舊公理的限制,具有跨時代的意義,為後來出現的微分幾何奠定了基礎。當初,久負盛名的「歐洲數學之王」高斯,也曾發現經典存在的問題。
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    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。其中,非歐幾何的誕生影響著現代自然科學、現代數學和數學哲學的發展,今天我們就來談一下非歐幾何與發展。
  • 陳省身:什麼是幾何學
    大家希望我講一點幾何學,題目是《什麼是幾何學》。我雖然搞了幾十年的幾何工作,但是很抱歉的一點是,當你們聽完演講後,不會得到很簡單的答案,因為這是一門廣泛而偉大的學問。在最近幾千年來,幾何學有非常重要的發展,跟許多其它的科學不但有關係、有作用,而且是基本的因素。講到幾何學,我們第一個想到的是歐幾裡德。
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    自從數學誕生之日起,什麼是它最偉大或者說最引人注目的發明呢?可能的答案有兩個:一個是微積分,另一個是非歐幾何。其中非歐幾何對我們的觸動也許更大。因為它太不平常了,它的發現有如哥倫布發現新大陸、弗洛伊德發現無意識,在人類的視野中打開了一片廣闊的新天地,一片無人走過的、肥沃的處女地,人類在這裡可以盡情地耕耘、收穫。
  • 非歐幾裡得幾何學的重要性
    據說,在 19 世紀所有複雜的技術創造中間,最深刻的一個,非歐幾裡得幾何學,在技術上是最簡單的。非歐幾裡得幾何是在歐幾裡得幾何領域中一系列長期努力所達到的頂點。這個工作到 19 世紀早期就成熟了,正是射影幾何也在恢復和發展的同一年代,然而這兩個領域在當時彼此並無關聯。
  • 幾何學的發展與代數化
    一.幾何學-空間思維的形成在數學的發展道路上,數與形-數量與空間不是割裂開的,它們是與人們認識世界的水平相適應並共同發展的,而且長度,面積,體積的量度使人們的數量與空間觀念緊密地結合到一起。在中國古代,數量與空間思維形式的結合得到長足的發展。這在中國古代數學《九章算術》中有大量的例子。
  • 泛函分析:n維空間到無窮維空間的幾何學和微積分學
    泛函分析的產生19世紀以來,數學的發展進入了一個新的階段:出於對歐幾裡得第五公設的研究,引入了新的幾何學——非歐幾何;出於對於代數方程求解的一般思考,建立並發展了群論;>數學分析的研究又促進了集合論的誕生。
  • 喻德生:一門獨立的幾何學——有向幾何學
    主要從事幾何學、計算機輔助幾何設計和數學教育等方面的研究。參與國家自然科學基金課題3項,主持或參與省部級教學科研課題12項、廳局級教學科研課題16項。在國內外學術刊物發表論文60餘篇,撰寫《平面有向幾何學》等專著6部,主編出版教材12種。「有向」是自然科學中的一個十分重要而又應用非常廣泛的概念。我們經常遇到的有向數學模型無外乎如下兩類:一是「泛物」的有向性。
  • 射影定理創始人,幾何學之父是何人物?
    相信大家在初中就學過射影定理,在考試中也是頻頻使用,方便了我們很多題目的計算過程。直角三角形射影定理,是在直角三角形中,斜邊上的高是兩直角邊在斜邊上射影的比例中項,每一條直角邊是這條直角邊在斜邊上的射影和斜邊的比例中項。
  • 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。1826年2月23日,羅巴切夫斯基在喀山大學物理數學系學術會議上宣讀了他的第一篇關於非歐幾何的論文——《幾何學原理及平行線定理嚴格證明的摘要》。這篇首創性論文的問世,標誌著非歐幾何的誕生。但是,由於羅巴切夫斯基幾何的命題與常識差異太遠,人們無法理解。因此,不僅它出現後受到冷漠,而且羅巴切夫斯基個人也受到大量批評甚至人身攻擊,其職業生涯也因此受到巨大影響。
  • 康德究竟如何看待幾何學的可能性?
    關 鍵 詞:康德/幾何學/空間/直觀形式/超絕統覺/連續性作者簡介:錢捷,中山大學哲學系(珠海)近些年來,以康德幾何學對象的可能性思想為主題的研究,因受英美哲學中關於概念論與非概念論爭論的影響而變得更加引人注目了。
  • 談一下歐氏幾何到非歐幾何是如何發展的,我們從中有哪些收穫?
    歐氏幾何歐幾裡得幾何簡稱「歐氏幾何」,是幾何學的一門分科。數學上,歐幾裡得幾何是平面和三維空間中常見的幾何,它就是建立在五條一般性的公理和五條幾何學公理之上的。在數學史上,就有兩個人就把幾何學中的第五公理改了,然後依照邏輯,各自創立出一整套能夠自洽的新的幾何體系。
  • 非歐幾何的創始人——歐幾裡得
    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。但是,第五公設「通過直線外一點,能並且只能作一條平行於原來線的直線很難驗證歐幾裡得本人也懷疑這一點,總是儘量避免引用它。