怎么通俗地描述非欧几何?
的有关信息介绍如下:
之前在手机上搞的图和公式太随意了,也没认真说明,汗。。。今天放假也恰好没事~~现在重新编辑下吧
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什么是非欧几何呢?
首先要明白欧氏几何,我们在初中学过的平面几何其实就是欧氏几何,读过初中的相信都明白平行,全等,相似等等的相关知识,以及三角形内角和等于180°即π。
但在非欧几何中,我们之前的一些常识已经不适用了。比如:拿三角形内角和等于π来说,如果在球面上有个三角形,那么其内角和为多少?(这个证法早在1603年就被哈里奥特发现了)
图中,球被3条大圆所分割(球上的大圆也就是直线了,后面再仔细描述),球面被分割成了8块三角形,每个三角形与之对径的三角形全等,面积一样。球的面积为4πR^2,图中T,T1,T2,T3为所对应的三角形的面积,α,β,γ为所对应角的角度,所以可以导出:
———————————(1)
另外又可以看到T与T1可以构成一契形,面积为整个球面的 α / 2π,。可以得到:
———————————(2)
同样,也可以得到:
———————————(3)
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(2),(3),(4)式连加就有:
———————————(5)
然后再减去第(1)式子就有:
———————————(6)
可以看到,T肯定不为0,所以,并且T肯定为正值,所以一定有。
并且由(6)式还可以看出来,T的值与,,之和有关,所以在球面上,三角形面积越大其内角和也会越大,也就是说在球面上不存在相似三角形。
看吧,这些情况似乎与我们之前所学与所了解的完全不同呀,但这些在现实生活中却经常能遇到。
加深点印象,可以做一个欧氏几何与非欧几何存在差别的小实验,也更能感性的明白什么欧氏几何和非欧几何:
(a)拿一张平面纸,比如:A4纸或作业本纸,一定要没有弹性的纸。
(b)拿一个有曲度的物体,比如:苹果呀,篮球,橄榄球,碗之类。
(c)将平面纸贴到有曲度的物体上,保证所贴的平面能与曲面全部接触。
你会发现,如果要贴上去的话,平面纸一定会有褶皱,有褶皱就说明还有一部分的面没有贴在曲面上。平面纸上的几何关系就是我们通常学到的欧氏几何研究的,苹果,篮球,橄榄球之类的曲面几何关系就是非欧几何所关注的了。
还有一个更经常遇到的例子就是地图了,就像在地图上画一条直线(除地图正中的竖直线),沿这条线走,你将走远路。
将到地图这里,可以引出什么是直线了,看了上面的应该对非欧几何有一定通俗的了解了,下面的有兴趣的就看看吧。
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什么是直线呢?(知道的跳过)
直线最基本的定义就是两点之间距离最短的线。在平面中(欧氏几何)我们很容易找到,直尺一拉就是了,非欧几何可没有直尺量。无论在欧氏几何和非欧几何,都有一个很简单的办法找到直线。先说一个例子,(下图是在百度上随便找的一张图)
蜘蛛要怎么走才能到蜻蜓的路程最短?
答案很简单,你也用没有弹性的线做一张这样的网,然后一手拿住蜘蛛的位置,一手拿住蜻蜓的位置,然后一拉,最紧的那条线就是最短的线了。
在非欧几何上也是可以用这个方法知道两点最短的路程,也就是直线了。
用一根不可拉伸的软线,在非欧几何的两点上用力拉,直到线紧绷了,那么这条路径就是直线了,有兴趣的可以自己拿跟绳子在篮球上做做实验,你会发现紧绷的线一定会在篮球的大圆上。
上面就是对直线比较通俗的描述了。
在真正算的时候肯定不能用直线呀,那怎么办,这里就要说到梯度了,直线就是一直沿着梯度方向走,比如关于一座山的具有等高线的地图,哪里才是“直线”呢(沿山走最短的距离),你只要沿着等高线最密的方向走就行,因为此方向为梯度方向。当然真的爬山不可能沿着这条线走,就算能走那也会累死呀。
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曲率:
最后说一下曲率,就像在平面中,我们可以用曲率来区分直线和曲线,曲率为0的为直线,曲率不为0的就是曲线。
欧氏几何与非欧几何也用曲率来区分,这个曲率叫做高斯曲率,高斯曲率是这样得到的:
在曲面上取一点P,那么P点的曲率怎么得到呢?
在P点处取它的法向量,作一经过法向量的面,面绕着法向量旋转,与P点所在的曲面相交一曲线,得到各个不同相交曲线的曲率,取最大与最小的曲率相乘就是高斯曲率。图中
视图面1为P取得最小的相交曲率,视图面2为P取得最大的相交曲率。
那么高斯曲率公式为:
相信可以自己推导出球的高斯曲率为1/R^2。因为球的各个切面曲率都是1/R呀。
当你将一张纸卷起来的时候,这张纸依然是欧氏几何,因为你将纸卷起来,这张纸的最小切面曲率是0,所以高斯曲率也会为0,也就是说,你将纸卷起来,与将纸平展开来,它们是一样的,都是欧氏几何。
在往下就会有高斯曲率与盈角和面积的关系,不过觉得也没必要了,毕竟越到后面越难通俗了(对我来说~~~),嗯,就这样了。



