學了這麼多年,你真的懂幾何嗎?

  我們基本上從初中開始就學習幾何,但主要學的是平面幾何,從高中開始,就開始學立體幾何,到大學就把幾何扔到一邊了,那我們學了這麼久的幾何,對幾何真的瞭解嗎?

學了這麼多年,你真的懂幾何嗎?

超立方體


  首先,給大多數人學的幾何定個性,就是在座的個位都只是學過歐幾里得幾何學,你如果不服氣,我們來講一下他的歷史。故名思義,這一整套理論都是由一個叫歐幾里得的人整理出來的,所以叫做“歐幾里得幾何學”,當年,明朝的徐光啟碰上了從西方來的傳教士--利瑪竇,倆人談起《幾何原本》這本書,當時,徐光啟非常驚奇,於是,他就纏著利瑪竇,倆人一起翻譯這本書,話說,這本書為啥引起徐光啟這麼深厚的興趣呢?

  因為這是一個用公理系統作為骨架,然後一步步推理出來的邏輯大廈,好幾百條的定理,都是由五條公理,或者叫公設更恰當,推理出來的。徐光啟知道,我國過去沒有這樣的思維模式,這樣的思維體系正是西方的精髓,也正因為有了這種方式,幾何才是一個嚴密的體系。那麼,這五條公設是啥呢?

  1.任意兩個點可通過一條直線連接;

  2.任意線段能無限延伸成一條直線;

  3.給定任意線段,可以以其一個端點為圓心,該線段為半徑作一個圓;

  4.所有直角都全等;

  5.若兩條直線都與第三條直線相交,並且在同一邊的內角之和小於兩個直角,則這兩條直接在這一邊必定相交。

第5條公設寫的很複雜,簡化一下,就是直線外一點,只做一條線與此線平行,這樣是不是感覺熟悉多了呢?也感覺都是公理,沒什麼好說的了?

但是數學家都是幹啥吃的呀,他們怎麼看第5條公設怎麼不順眼,其中就有著名的兩個人,一個就是羅巴切夫斯基,他就設定,過已知直線外一點,可以至少作兩條直線與已知直線平行,代替歐幾里得的第五公設,在這個前提下,他推導出了一整套的幾何學,沒有發現定理有矛盾的地方,於是在1826年,他發表了論文,當然受盡了冷嘲熱諷,數學王子高斯是他的好朋友,私下裡挑大拇指稱讚他,但在公開場合,一句鼓勵的話也沒有,直到去世的時候,都是景況淒涼,死後不久,意大利的數學家貝特拉米證明了,羅巴切夫斯基的幾何學是在彎曲的表面上實現的幾何學,與歐式幾何並不矛盾,彼此之間是可以互相轉換的,如果歐式幾何正確,那麼羅巴切夫斯基也是正確的,後來也就稱為羅式幾何了。

數學家之中,從來不缺乏唱反調的,於是就是有人說,別說作兩條平行線,一條也做不出來,不存在平行的情況,必定是要相交的, 這個人是誰呢?此人叫黎曼,是高斯的學生,他描述的是球面的情況,羅巴切夫斯基描述的是馬鞍面的狀況,歐幾里德描述的是平面的情況。

學了這麼多年,你真的懂幾何嗎?

彎曲空間中的三角形(球面、馬鞍面、平面)


那麼黎曼幾何在生活中有沒有用呢?答案肯定是,比如,從上海飛往美國洛杉機的航線,為啥不是一條直線呢?而是像下圖所示的曲線?


學了這麼多年,你真的懂幾何嗎?

上海-洛杉磯航線

這就是黎曼幾何中的“短程線”,過兩點之間球體上的大圓的劣弧弧長最短,當然,這裡面還需要考慮加油、補給等因素,而最終確定航線。


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