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高维几何

王朝百科·作者佚名  2012-04-14
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一、历史过程历史上由欧几里得集大成,建立比较完整的欧几里得几何,后来俄国的罗巴切夫斯基, 匈牙利的鲍耶, 和德国的高斯建立了非欧几何。它与欧氏几何的不同就在于所谓欧氏平行公理: 过直线外一点有且只有一条直线与已知直线平行. 如果把这条公理改成 “过直线外一点有两条以上的直线与已知直线平行”, 而保持其它公理不变, 就得到一种新的几何, 称为非欧几何.

后来人们又建立了射影几何和仿射几何。射影几何主要研究中心投影现象,而仿射几何主要研究平行投影下图形怎么变化的。

二、历史几何的不足前述几种几何,均是研究“均匀”介质里的几何。以黎曼几何为例,虽然黎曼几何可以用球面来模拟,但是,球面本身是“均匀”的。如果考虑到空间介质是不均匀的,即可得到高维几何。

高维几何的一个特点,是考虑空间的“浓淡”,即含有元素的密度。这样,单纯的说1m^3的体积就是错误的,必须指明在哪个参考系中的1m^3——因为不同参考系的密度标准是不一样的。也就是说,地球表面的1m^3体积和离开地球表面的1m^3体积在高维几何里是不同的。

三、高维几何的定义任何一门学科,总有些定义是用语言来描述的,本身无法定义。高维几何也一样。 若现实空间中存在m个曲线组成的曲面,存在微段dx、微角da,存在函数族xsct a 。

设m=2,xsct函数族之xtan a、xsin a、xcos a分别满足tan a、sin a、cos a的级数形式,则此曲面为欧几里德平面。否则为非欧面,比如罗氏几何和黎曼几何。

若空间中存在共点的m个曲线,这些曲线包含于n个曲面,这n个曲面包含于此空间。

设m=3 且 n=3 且 xsct a 函数族满足tan a 、sin a、 cos a的级数形式,则此多维空间为三维欧几空间。

由于xsct a函数的定义有无数种,所以,当n>3时,即可得到高维几何。比如,若xsin a 大于1,则此时空间内两点之间最短的可能是条曲线。

四、高维空间的物理模型二维空间,可以使用浓淡不一的点平面表示。两束平行入射光的经过路径是两条曲线,当存在极度浓点,那么它们就是黎曼几何(必然相交);若浓度均匀,就是二维欧几平面;如果浓度满足一定要求,可以满足罗氏几何——过一点有N条线与已知直线平行。

高维空间,可以用密度不一的空间类似表示。如果密度dp均匀,则为三维欧几空间;如果密度不均,即存在空间扭曲,则为高维空间。

五、高维空间的示例建立笛卡尔平面坐标系OXY,OX轴单位是cm。然后在此平面内充满具有质量的点,填充的方法是:沿OY方向均匀,沿OX方向满足在x位置dx的OY方向长条的点的质量是在x+dx位置dx质量的fx倍。

此平面可以用两种方法描述:第一是均匀分布点,但每个点的质量不同(即dp不同),这样,该平面也分布线;第二,是每个点的质量一样,但是点的稠密程度不同,此时线有“粗细”之分。

坐标系内的“直线”是什么样子?

显然,在该坐标系中,竖向的点的质量分布是均匀的(为1),横向的质量差别最大(沿长度方向为fx),那么,每一条沿线长度方向质量差别一样(为gx)的线即为该平面的直线。有兴趣的读者可以试着举例画一下。

 
 
 
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