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?

2020-12-03 悅己半分

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避免受到日常理解的「直」的含義幹擾,日常理解的「直」和「彎」只是相對的,根本沒有絕對的「直」和「彎」;為方便你理解,閱讀到關於空間、表面之類時,你可以想像你是一隻在這個空間或表面上的小螞蟻,這樣可以方便你理解;深呼吸三下,開始閱讀...

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。

五條一般性的公理:

如果a=b, b=c, 那麼a=c;如果a=b,c=d,那麼a+c=b+d;如果a=b,c=d,那麼a-c=b-d;彼此能重合的物體(圖形)是全等的;整體大於部分。

五條幾何學公理:

由任意一點到另外任意一點可以畫直線(也稱為直線公理);一條有限直線可以繼續延長;以任意點為心,以任意的距離(半徑)可以畫圓(圓公理);凡直角都彼此相等(垂直公理);過直線外的一個點,有且僅且做一條該直線的平行線(平行公理)。

有了五條基本公理和五條幾何公理,歐幾裡得又定義了一些基本的幾何學概念,比如點、線、夾角等等,在這些基礎之上,他把當時所知的所有幾何學知識都裝進了一個極為嚴密的知識體系,就這樣構建了我們熟知的歐幾裡得幾何學。

我們都知道,公理都是用來推導其他命題的起點。公理和定理不同,一個公理(除非有冗餘的)不能由其他公理推導出來,否則它就不是起點本身,所以公理都是不證自明的,或者說無法證明的。

對於幾何學前四條公理,數學家們都沒有異議,唯獨對第五條平行公理,也就是「過直線外的一個點,可以做一條,而且僅可以做一條該直線的平行線,至於平行線,就是平面上永不相交的兩條線。

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。

第一個改變第五公理的人是做羅巴切夫斯基,他假定過直線外一個點,能夠做該直線的任意多個平行線;

第二個改變第五公理的人是著名數學家黎曼(就是提出黎曼猜想的那位),他假定經過直線外任意一個點,一條平行線也做不出來。

羅巴切夫斯基和黎曼由於對幾何學中的第五公理進行了修改,各自推導形成邏輯自洽的知識體系,由於得出的很多結論都不符合歐氏幾何,因此它們被統稱為非歐幾何。

非歐幾何·羅氏幾何

假定過直線外一個點,能夠做該直線的任意多個平行線。如果我們承認他所作出的這個假設,並且應用由此而來的全部結論,那麼空間就由我們平時熟悉的方方正正的形狀,變成了馬鞍形,也稱為雙曲面。

在這樣的空間裡,三角形的三個角加起來就小於180度了。此外,很多歐幾裡得幾何的結論在這個新的體系中都要修改,但需要指出的是,這個新的幾何學體系本身是自洽的。今天它就以發明者羅巴切夫斯基的名字命名了,當然我們為了簡單起見,就稱呼它為羅氏幾何。

非歐幾何·黎曼幾何

假定經過直線外任意一個點,一條平行線也做不出來(例如在地球上畫一條平行於東經180度不相交的平行線,是畫不出來的,所有的線都相交於兩極點),這樣構建的幾何學被稱為黎曼幾何。

在黎曼幾何中,空間被扭曲成橢圓球的形狀。這個空間每一個切面是橢圓,因此它也被稱為橢球空間。如果你在上面畫一個三角形,它的三個角加起來大於180度。

這個結論你其實在地球上很容易證實:你從北極出發往正南走100米,再往正西走100米,最後往正北走100米,你又回到了出發的原點,也就是北極點。你走過的這個三角形,三個角之和為270度。

以上三種幾何系統,我們可以通過這樣做簡單、形象的理解:

你拿著一張紙,把紙平放(即曲率為0)在桌面上,那麼在這張紙上建立的幾何知識體系就是歐氏幾何;假設你把紙裹住一個球(即曲率為正,收斂的),那麼在這個球面上建立的幾何知識體系就是黎曼幾何;至於羅氏幾何,我暫沒有想到合適的簡單方法讓你理解,借用知乎大神的解釋:你家正北面10000米有一個火車站A,正東面10000米有個火車站B,而一條鐵軌最短路徑連接了A,B火車站,那麼這條鐵軌將離你家不到1米,是不是有一種「看似天涯,實則咫尺」的感覺。

我們從中有哪些收穫?

只要前提基礎條件牢固可信,邏輯推導過程嚴謹,無論結果是怎麼的不可思議,你都應該接受;今天我們介紹的三種幾何系統,它們90%的公理都是相同的,最後差出了一條看似最無關緊要的公理,但是,由此之後,發展出來的知識體系就完全不同了。我們時常在學習別人的經驗時,覺得似乎自己學到了,但是做出來的東西就是不一樣。大部分時候,這種差異來自於細節,可能就是10%。但是,我們常常會滿足於90%的一致性,忽略了那一點差異,這就導致了結果完全不同。應該有一種理性眼光,在沒有明確說明之前,大家的認同其實會有誤解。比如我們常常說深顏色,並不覺得這個概念不清晰,但是不同人理解的深顏色可能不同。

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