複平面與非歐幾何

2020-12-04 星蝶偶成閣

黎曼幾何中的一條基本規定是:在同一平面內任何兩條直線都有公共點(交點)。這個非歐幾何的規定,沒有點想像力,的確很難理解。我們先嘗試用複平面來理解。

如封面的圖,從北極連接到球面上的一點總是可以投影到複平面上的一點。當這個球體比較小時,可以發現,球面投影到平面上後有一個點是無法在平面上得到體現,就是北極這個點,北極在複平面上的投影表現為任意方向的無窮遠。

現在簡單的來看兩條平行線,一條就是複平面的X軸,一條是任意平行於X軸的直線。再把它重新投到球面上,最終不僅是X軸本身,還是平行於X軸的直線,在球面上會匯集到北極。這樣可以得到一個結論,複平面無限長的直線與無限長的與其平行的直線會閉合到球面上的北極。換言之,在複平面的任意兩條平行線,總是會在北極形成交點,而複平面相交的直線自然在球面上會有交點,這得出的結論就是黎曼幾何的基本規定,在同一平面內任何兩條直線都有公共點。

再換個角度,只看這個球面,在複平面兩點最短的距離是直線,投影到球面後,是這兩點在球面所構圓的圓弧,而球面上任意兩點所構圓與另外兩點所構圓總是有兩個交點。現在把球體放大到足夠大,這些圓弧所表徵的就是一條直線,此時在足夠小的球面範圍內,圓弧的交點附近形成了兩條相交直線,而且不相交的方向,在足夠長的時候,匯集到另一個交點。

此時在足夠遠離圓弧交點的地方,就形成了兩條平行線,但只要這兩條平行線足夠長,在球面上就一定相交,而且兩個方向有兩個交點。

我們世界所形成的球體已經足夠大到將光線視為直線傳播,但一旦引入扭曲空間(這裡只是討論球面的扭曲),光線就總是沿最短距離(圓弧)在傳播,我們所看到的平行線在無限遠處會有兩個交點,而交叉的兩條直線,在無限遠處會匯集到另一個交點,這才是我們所處世界的一個可能 真實表現。

相關焦點

  • 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。
  • 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。
  • 從歐式幾何到非歐幾何
    而《幾何原本》中的命題不僅僅只有上述五種那麼簡單,這部跨時代的著作共有465個命題之多,講述的多為平面幾何,也涉及一些立體幾何,歐幾裡得也被稱為完美運用公理化方法的第一人。在數學領域的幾何界,歐幾裡得的幾何學一直都是獨佔鰲頭,很少有數學研究者對歐式幾何進行修改和完善,直至非歐幾裡得幾何的出現打破了這一切。
  • 絕世傳奇,怪誕的非歐幾何
    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。
  • 並不神秘的非歐幾何,它究竟講的是什麼?五分鐘帶你搞懂
    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。歐氏幾何第五公設問題掀起的風波歐幾裡得的《幾何原本》標誌著非歐幾何的誕生,在《幾何原本》裡,歐幾裡得給出了 23 條定義、5條公理、5條公設,由此推證出48個命題。
  • 讓我們來談談歐氏幾何是如何發展成非歐幾何的
    歐幾裡得幾何「歐氏幾何」的縮寫是幾何的一個分支。在數學上,歐幾裡得幾何是平面和三維空間中常見的幾何,他基於五個一般公理和五個幾何公理。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。
  • 兩條平行線必相交——非歐幾何的創立
    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。看似所有的付出如一江春水逝去,斷了頭緒,然而並非如此,收貨了新的理論幾何學——羅巴切夫斯基幾何,簡稱羅氏幾何。這是第一個被提出的非歐幾何學。非歐幾何像歐式幾何一樣,是完善的、嚴密的幾何學。無獨有偶,就在羅氏幾何被創立的同一時期,匈牙利數學家鮑耶·雅諾什也發現了第五公設是不可證明,以及「非歐幾何學」的存在。
  • 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。
  • 幾何的前世今生(三):非歐幾何的先行者——第五公設證明的探索
    2020-12-10 22:29:18 來源: 數學經緯網 舉報   非歐幾何的發展源於
  • 非歐幾何學是怎麼從歐式幾何學的夾縫中誕生的?
    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。
  • 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.歐氏幾何歐氏幾何開始研究的是直線和二次曲線(圓錐曲線:橢圓、雙曲線和拋物線)的幾何結構和度量性質(長度、面積、角度等),當然平面幾何自然的過渡到三維空間的立體幾何,為了計算面積和體積問題,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
  • 古希臘數學大家歐幾裡德的《幾何原本》,被稱為是千古奇書!
    歐幾裡德是位古希臘幾何學家,憑著一本《幾何原本》而流芳千古。雖然像拿破倉、亞歷山大和馬丁·路德這樣的人物,其有生之年的名氣要比歐幾裡德顯赫得多,但是,從歷史的視角來看,歐幾裡德應該比他們要流傳久遠。關於歐幾裡德的生平,我們幾乎一無所知。
  • 幾何原本:平面幾何基礎
    歐幾裡得7.平面:平面是它上面的線一樣地平鋪的面。8.平面角:平面角是一個平面上的兩條直線相交的傾斜度。9.平面角:平面角是一個平面上的兩條直線相交的傾斜度。10.直角與垂線:一條直線與另一條直線相交所形成的兩相鄰的角相等,則這兩個角均稱為直角,其中一條是另一條的垂線。
  • 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。
  • N維空間一——歐幾裡德空間
    歐幾裡德空間簡稱歐氏空間,或平直空間。在數學中,它是對歐幾裡德所研究的2維和3維空間的一般化。就是把長度和角度轉換成任意維數的坐標系。這是有限維、實內積空間的「標準」例子。 歐氏空間是一個特別的度量空間,內積空間是歐氏空間的一般化。約公元前300年,古希臘數學家歐幾裡德建立了角和空間距離之間聯繫的法則,現稱為歐幾裡德幾何。
  • 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。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。
  • 淺談非歐體系的幾何發展歷程
    這只在歐式幾何中成立,在不同的體系下,平行線有可能相交。首先講一下最傳統的歐式幾何,即平面幾何。歐式幾何起源於公元前3世紀,由歐幾裡得發表《幾何原本》是歐式幾何誕生的標誌,傳說他是看到牆角的蜘蛛沿著蜘蛛網爬行,聯想到3維空間裡用3個坐標軸表示一個點。歐幾裡得在其中提出5條公理,即:1、任意兩個點可以通過一條直線連接。2、任意線段能無限延長成一條直線。
  • 數學概覽XIX 非歐幾何並不神秘!(一)
    非歐幾何學是一門大的數學分支,一般來說,它有廣義、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得幾何不同的幾何學,狹義的非歐幾何只是就羅氏幾何來說的,至於通常意義的非歐幾何,就是指羅氏幾何和黎氏幾何這兩種幾何。
  • 歐幾裡得和他的《幾何原本》
    歐幾裡得雖然歐幾裡得的《幾何原本》流傳至今,但關於他本人的生平事跡我們卻知之甚少,只能從後人的筆記中知曉一二,其中有兩則小故事廣泛流傳:一則說的是一個學生剛開始學習第一個命題,就問歐幾裡得學了幾何之後將得到些什麼。歐幾裡得對身邊的侍從說:「給他三個錢幣,因為他想在學習中獲取實利。」
  • 談談:從複平面入手分析勾股數的有趣性質
    比如(2,1)到原點的距離並不是整數,但一定是某個整數的平方根,即斜邊的長度是根號5現在我們要做一個奇怪的步驟,之後你會明白原因的,把坐標系想成是複平面,例如(2,1)對應的複數就是2+i,想要得到離原點距離是整數的新的點,就有一個很簡單的辦法——取平方代數上講,如果你平方一個複數,展開乘積,合併同類項之後,因為所有運算都只是整數之間的加減乘所以結果中每一部分都是整數我們得到