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微分几何/黎曼几何
序:非欧几何学的诞生
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2025-06-30 09:17
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序:非欧几何学的诞生
欧几里得几何学为我们提供了平面几何工具,但完美的平面在现实世界中极其罕见。我们生活的地球是一个球体,而地球所在的宇宙更是一个三维空间。为了在平面上描述地球的表面或者我们所在的宇宙空间,我们必须对它们进行某种变形,而这些变形就是投影几何学所涉及的问题 首先发展起来的非欧几何学是球面几何学,涉及球面的计算问题。一个和平面几何学中十分不同的问题就是两点之间的最短路径问题。在平面几何中,两点之间线段最短。但在一个球面上,两点之间的线段变成了大圆上的一段圆弧。这样的大圆被称为测地线。所以,直线变成了圆!这就是为什么跨洋国际飞行很少沿我们通常认为的两个地点之间的“直线” 飞行。平面几何学中的概念在球面几何学里都发生了很大的变化。两条直线之间的夹角也变成了两个大圆之间的夹角。 {width=500px} 飞机大圆航线 早期的天文学家和测量学家在研究天空和大地时,就已经意识到欧几里得几何学应用于球面上的困难。尽管如此,新几何学的出现还是花费了几个世纪的时间。 曲面带来了两个非欧几何学,即椭圆几何学和双曲几何学。曲面上的直线和平面上的直线具有不同的特性,就像我们在球面几何学中看到的直线一样。欧几里得第五公设在这里并不成立。在欧几里得几何学中,如果两条直线和另外一条直线平行,那么这两条直线也相互平行。在一个曲面上,可就不一定如此了。在—个椭圆面上,这样的两条直线总会相交。一个完美的椭圆面是一个球面,球面几何学是椭圆几何学的一个特例,一种最简单的形式。 在一个双曲面上,两条平行于第三条直线的直线将会发散出去。如果曲率是90 度的话,双曲面将会是球体的内表面,但在其他情況下,它会是一个大碗的表面。椭圆面和双曲面互为彼此的相反面,也就是说一个双曲面的反面会是一个椭圆面,而一个椭圆面的反面会是一个双曲面。 直线在曲面上的性质和欧几里得几何学规则相矛盾,这让数学家感到十分困感。许多世纪以来,他们一直试图拒绝非欧几何学。意大利数学家乔瓦尼·吉罗拉莫·萨凯里试图证明非欧几何学是不存在的。他的研究应该受到了波斯数学家莪默·伽亚谟的启发。他把莪默·伽亚谟关于平行四边形的表述作为自己研究的起点。 萨凯里想通过反证法证明欧几里得的平行公理的有效性。为此,他假设平行假设是错误的,并试图得出一对矛盾。由于欧几里得的假设相当于认为三角形的内角和为 180 度,因此他考虑了角度加起来大于或小于180度的假设。第一个结论是直线是有限的,但这与欧几里得的第二个公理相矛盾,所以萨凯里只能拒绝它。然而,该原理现在被接受为椭圆几何学的基础。欧几里得公理的第二个和第五个假设也被拒绝了。事实上,他无法得出一对逻辑上的矛盾,所以无法否定非欧几何的存在;相反,他得出的许多其他结果成为了今天双曲几何学中的定理。 {width=300px} 双曲几何,三角形内角和小于180度 双曲几何学的再次出现是在 1830 年左右,由匈牙利数学家亚诺什·波尔约和俄国数学家尼古拉·伊万诺维奇·罗巴切夫斯基分别独立提出。他们的研究都源于高斯的思想。高斯应该是第一个系统地发展了非欧几何学的人。高斯认为,不应该把椭圆面和双曲面看成三维空间,因为虽然它们存在于一个三维空间里,但它们本身是二维的,只需要两个变量就可以定义其上的一个点。他展示了这样的一个曲面可以用角度和距离来完全描述,而无须涉及三维空间里的任何信息。 {width=300px} 高斯 1777年4月30日,高斯出生于德国不伦瑞克。他的父母都是贫穷的工人,母亲还是文盲,但高斯是一个神童。3岁时,高斯就
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