摘要
幾何不一定是真實(shí)現(xiàn)象的描述,幾何空間和自然空間并不能完全等同看待,純概念的研究幾何的發(fā)展是數(shù)學(xué)界的一個(gè)里程碑。從零維空間到三維空間,尤其是從三維空間到四維空間的發(fā)展更是幾何學(xué)的的一次革命。 關(guān)鍵詞
零維;一維;二維;三維;四維;n維;幾何元素;點(diǎn);直線;平面。
n維空間概念,在18世紀(jì)隨著分析力學(xué)的發(fā)展而有所前進(jìn)。在達(dá)朗貝爾。歐拉和拉格朗日的著作中無關(guān)緊要的出現(xiàn)第四維的概念,達(dá)朗貝爾在《百科全書》關(guān)于維數(shù)的條目中提議把時(shí)間想象為第四維。在19世紀(jì)高于三維的幾何學(xué)還是被拒絕的。麥比烏斯(karl august mobius 1790-1868)在其《重心的計(jì)算》中指出,在三維空間中兩個(gè)互為鏡像的圖形是不能重疊的,而在四維空間中卻能疊合起來。但后來他又說:這樣的四維空間難于想象,所以疊合是不可能的。這種情況的出現(xiàn)是由于人們把幾何空間與自然空間完全等同看待的結(jié)果。以至直到1860年,庫摩爾(ernst eduard kummer 1810-1893)還嘲弄四維幾何學(xué)。但是,隨著數(shù)學(xué)家逐漸引進(jìn)一些沒有或很少有直接物理意義的概念,例如虛數(shù),數(shù)學(xué)家們才學(xué)會(huì)了擺脫“數(shù)學(xué)是真實(shí)現(xiàn)象的描述”的觀念,逐漸走上純觀念的研究方式。虛數(shù)曾經(jīng)是很令人費(fèi)解的,因?yàn)樗谧匀唤缰袥]有實(shí)在性。把虛數(shù)作為直線上的一個(gè)定向距離,把復(fù)數(shù)當(dāng)作平面上的一個(gè)點(diǎn)或向量,這種解釋為后來的四元素,非歐幾里得幾何學(xué),幾何學(xué)中的復(fù)元素,n維幾何學(xué)以及各種稀奇古怪的函數(shù),超限數(shù)等的引進(jìn)開了先河,擺脫直接為物理學(xué)服務(wù)這一觀念迎來了n維幾何學(xué)。 1844年格拉斯曼在四元數(shù)的啟發(fā)下,作了更大的推廣,發(fā)表《線性擴(kuò)張》,1862年又將其修訂為《擴(kuò)張論》。他第一次涉及一般的n維幾何的概念,他在1848年的一篇文章中說: 我的擴(kuò)張的演算建立了空間理論的抽象基礎(chǔ),即它脫離了一切空間的直觀,成為一個(gè)純粹的數(shù)學(xué)的科學(xué),只是在對(物理)空間作特殊應(yīng)用時(shí)才構(gòu)成幾何學(xué)。
然而擴(kuò)張演算中的定理并不單單是把幾何結(jié)果翻譯成抽象的語言,它們有非常一般的重要性,因?yàn)槠胀◣缀问埽ㄎ锢恚┛臻g的限制。格拉斯曼強(qiáng)調(diào),幾何學(xué)可以物理應(yīng)用發(fā)展純智力的研究。幾何學(xué)從此開始割斷了與物理學(xué)的聯(lián)系而獨(dú)自向前發(fā)展。經(jīng)過眾多的學(xué)者的研究,遂于1850年以后,n維幾何學(xué)逐漸被數(shù)學(xué)界接受。
以上是n維幾何發(fā)展的曲折歷程,以下是n維幾何發(fā)展的一些具體過程。
首先,我們將點(diǎn)看作零維空間,直線看作一維空間,平面看作二維空間,并觀察以下公設(shè):
屬于一條直線的兩個(gè)點(diǎn)確定這條直線。
1.1 屬于一條直線的兩個(gè)平面確定這一條直線。(比較這個(gè)公設(shè)和公設(shè)1.1)。
1.2 屬于同一個(gè)點(diǎn)的兩條直線也屬于同一個(gè)平面。(公設(shè)1.2的推論)
1.3 屬于同一個(gè)平面的兩條直線,也屬于同一個(gè)點(diǎn)。
1.4 可以推斷出:
1. 具有相同維數(shù)的兩個(gè)空間,在某些條件下,確定另一個(gè)高一維的空間。例如:兩個(gè)點(diǎn)(我們將它們看作兩個(gè)零維空間)確定一條直線(一維空間)。屬于同一個(gè)點(diǎn)(規(guī)定的條件)的兩條直線(兩個(gè)一維空間)也屬于同一個(gè)平面(二維空間)。
2. 具有相同維數(shù)的兩個(gè)空間,在某些條件下,也可以確定一個(gè)低一維的空間。例如:兩個(gè)平面(兩個(gè)二維空間)確定一條屬于它們的直線(一維空間)。屬于同一平面(限定的條件)的兩條直線(兩個(gè)一維空間)確定一個(gè)點(diǎn)(零維空間)。
3. 結(jié)論2沒有包括這一事實(shí),即兩個(gè)平面可以確定一個(gè)高一維的空間。它只假定它們確定一條直線,這是比平面低一維的空間。這就留下了一個(gè)把我們的思想引申到高維空間的缺口。這個(gè)缺口的消除可在推論1.3“屬于同一個(gè)點(diǎn)的兩條直線也屬于同一個(gè)平面”中,用幾何元素直線、平面和三維空間依次的代替幾何元素點(diǎn)、直線和平面來達(dá)到。 下面的推論是替換的結(jié)果。屬于同一條直線的兩個(gè)平面也屬于同一個(gè)三維空間。
有了這個(gè)新的推論,我們就把與其他幾何元素直接對應(yīng)的幾何元素——三維空間也包括了。
下一步是把對偶原理應(yīng)用于這一推理,并從這些新引申的推論中得到一些固有的結(jié)論。在對偶原理將通過幾何元素——平面和空間的位置交換而被應(yīng)用。這時(shí)我們得到下述推論:
屬于同一條直線的兩個(gè)三維空間也屬于同一個(gè)平面。
1.5 從推論1.5我們可以得到下述公設(shè):
屬于一個(gè)平面的兩個(gè)共存的三維空間確定這一個(gè)平面。
1.6 在上述1.5和1.6的基礎(chǔ)上,可以提出下面的看法:
1. 四維空間的幾何條件是很明顯的,因?yàn)榫S數(shù)相同的兩個(gè)已知空間,只能共存于比它們高一維的空間里。例如:兩條不同的共存直線(一維)位于一個(gè)平面內(nèi)(二維);兩個(gè)不同的共存平面(二維)(沿一直線共存)位于一個(gè)三維空間里;兩個(gè)不同的共存三維空間(沿一個(gè)平面共存)位于一個(gè)四維空間里。
2. 在幾何上被看作是不屬于同一直線而相交于一點(diǎn)的兩個(gè)平面,屬于不同的各別的三維空間。
四維空間的概念也可以通過解析幾何的手段來研究。在那里我們可以利用代數(shù)方程來表示幾何概念。為了利用這個(gè)手段進(jìn)行觀察以導(dǎo)致對四維空間的理解,我們來研究三維空間體系中的三個(gè)幾何元素——點(diǎn)、直線和平面的方程。利用笛卡爾系統(tǒng)表示,我們可以寫出: 點(diǎn)的方程:ax + b = 0 (坐標(biāo)系:直線上的一個(gè)點(diǎn))。
直線的方程:ax + by + c = 0 (坐標(biāo)系:平面上的兩條正交直線)。
平面的方程:ax + by + cz + d = 0 (坐標(biāo)系:三維空間的三個(gè)互相垂直的平面)。
從上面的研究我們可以看出:
所表示的每一個(gè)幾何元素(或空間)的方程中的變量數(shù)目,等于這個(gè)空間的維數(shù)加1。
坐標(biāo)系中的幾何元素與被表示的幾何空間的幾何元素的維數(shù)相同。
在這個(gè)坐標(biāo)系中,幾何元素的數(shù)目等于被表示的空間的維數(shù)加1。在坐標(biāo)系中,幾何元素的這個(gè)數(shù)目是最低要求。
用來表示幾何元素的坐標(biāo)系,位于比它所含有的幾何元素高一維的空間里。
根據(jù)上述觀察,我們可以寫出三維空間的下述方程。應(yīng)當(dāng)注意:這個(gè)方程有四個(gè)變量(x、y、z、u)。
ax + by + cz + du + e = 0
現(xiàn)在我們可以斷定:
1. 這個(gè)坐標(biāo)系的幾何元素有三維,即它們是三維空間。
2. 在這個(gè)坐標(biāo)系中有四個(gè)三維空間。
3. 這個(gè)坐標(biāo)系位于一個(gè)四維空間里。
我們對于四維空間乃至更高空間的研究,不是通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)的方式,在現(xiàn)實(shí)中我們很難發(fā)現(xiàn)并推導(dǎo)出它們的一般規(guī)律,對于這些問題,我們可以采取一種新的研究方式。即:純概念的研究。通過這種方式,我們可以容易的推導(dǎo)出這些很重要但在現(xiàn)實(shí)中不易想象的新內(nèi)容。