摘要
幾何不一定是真實(shí)現象的描述,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(xiàn);平面。
n維空間概念,在18世紀隨著(zhù)分析力學(xué)的發(fā)展而有所前進(jìn)。在達朗貝爾。歐拉和拉格朗日的著(zhù)作中無(wú)關(guān)緊要的出現第四維的概念,達朗貝爾在《百科全書(shū)》關(guān)于維數的條目中提議把時(shí)間想象為第四維。在19世紀高于三維的幾何學(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(lái)。但后來(lái)他又說(shuō):這樣的四維空間難于想象,所以疊合是不可能的。這種情況的出現是由于人們把幾何空間與自然空間完全等同看待的結果。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(zhù)數學(xué)家逐漸引進(jìn)一些沒(méi)有或很少有直接物理意義的概念,例如虛數,數學(xué)家們才學(xué)會(huì )了擺脫“數學(xué)是真實(shí)現象的描述”的觀(guān)念,逐漸走上純觀(guān)念的研究方式。虛數曾經(jīng)是很令人費解的,因為它在自然界中沒(méi)有實(shí)在性。把虛數作為直線(xiàn)上的一個(gè)定向距離,把復數當作平面上的一個(gè)點(diǎn)或向量,這種解釋為后來(lái)的四元素,非歐幾里得幾何學(xué),幾何學(xué)中的復元素,n維幾何學(xué)以及各種稀奇古怪的函數,超限數等的引進(jìn)開(kāi)了先河,擺脫直接為物理學(xué)服務(wù)這一觀(guān)念迎來(lái)了n維幾何學(xué)。 1844年格拉斯曼在四元數的啟發(fā)下,作了更大的推廣,發(fā)表《線(xiàn)性擴張》,1862年又將其修訂為《擴張論》。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(shuō): 我的擴張的演算建立了空間理論的抽象基礎,即它脫離了一切空間的直觀(guān),成為一個(gè)純粹的數學(xué)的科學(xué),只是在對(物理)空間作特殊應用時(shí)才構成幾何學(xué)。
然而擴張演算中的定理并不單單是把幾何結果翻譯成抽象的語(yǔ)言,它們有非常一般的重要性,因為普通幾何受(物理)空間的限制。格拉斯曼強調,幾何學(xué)可以物理應用發(fā)展純智力的研究。幾何學(xué)從此開(kāi)始割斷了與物理學(xué)的聯(lián)系而獨自向前發(fā)展。經(jīng)過(guò)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(guò)程。
首先,我們將點(diǎn)看作零維空間,直線(xiàn)看作一維空間,平面看作二維空間,并觀(guān)察以下公設:
屬于一條直線(xiàn)的兩個(gè)點(diǎn)確定這條直線(xiàn)。
1.1 屬于一條直線(xiàn)的兩個(gè)平面確定這一條直線(xiàn)。(比較這個(gè)公設和公設1.1)。
1.2 屬于同一個(gè)點(diǎn)的兩條直線(xiàn)也屬于同一個(gè)平面。(公設1.2的推論)
1.3 屬于同一個(gè)平面的兩條直線(xiàn),也屬于同一個(gè)點(diǎn)。
1.4 可以推斷出:
1. 具有相同維數的兩個(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(xiàn)(一維空間)。屬于同一個(gè)點(diǎn)(規定的條件)的兩條直線(xiàn)(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(xiàn)(一維空間)。屬于同一平面(限定的條件)的兩條直線(xiàn)(兩個(gè)一維空間)確定一個(gè)點(diǎn)(零維空間)。
3. 結論2沒(méi)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(xiàn),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(xiàn)也屬于同一個(gè)平面”中,用幾何元素直線(xiàn)、平面和三維空間依次的代替幾何元素點(diǎn)、直線(xiàn)和平面來(lái)達到。 下面的推論是替換的結果。屬于同一條直線(xiàn)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的幾何元素——三維空間也包括了。
下一步是把對偶原理應用于這一推理,并從這些新引申的推論中得到一些固有的結論。在對偶原理將通過(guò)幾何元素——平面和空間的位置交換而被應用。這時(shí)我們得到下述推論:
屬于同一條直線(xiàn)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:
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,因為維數相同的兩個(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(xiàn)(一維)位于一個(gè)平面內(二維);兩個(gè)不同的共存平面(二維)(沿一直線(xiàn)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(xiàn)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(guò)解析幾何的手段來(lái)研究。在那里我們可以利用代數方程來(lái)表示幾何概念。為了利用這個(gè)手段進(jìn)行觀(guān)察以導致對四維空間的理解,我們來(lái)研究三維空間體系中的三個(gè)幾何元素——點(diǎn)、直線(xiàn)和平面的方程。利用笛卡爾系統表示,我們可以寫(xiě)出: 點(diǎn)的方程:ax + b = 0 (坐標系:直線(xiàn)上的一個(gè)點(diǎn))。
直線(xiàn)的方程:ax + by + c = 0 (坐標系:平面上的兩條正交直線(xiàn))。
平面的方程:ax + by + cz + d = 0 (坐標系: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)的方程中的變量數目,等于這個(gè)空間的維數加1。
坐標系中的幾何元素與被表示的幾何空間的幾何元素的維數相同。
在這個(gè)坐標系中,幾何元素的數目等于被表示的空間的維數加1。在坐標系中,幾何元素的這個(gè)數目是最低要求。
用來(lái)表示幾何元素的坐標系,位于比它所含有的幾何元素高一維的空間里。
根據上述觀(guān)察,我們可以寫(xiě)出三維空間的下述方程。應當注意:這個(gè)方程有四個(gè)變量(x、y、z、u)。
ax + by + cz + du + e = 0
現在我們可以斷定:
1. 這個(gè)坐標系的幾何元素有三維,即它們是三維空間。
2. 在這個(gè)坐標系中有四個(gè)三維空間。
3. 這個(gè)坐標系位于一個(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(guò)實(shí)驗總結的方式,在現實(shí)中我們很難發(fā)現并推導出它們的一般規律,對于這些問(wèn)題,我們可以采取一種新的研究方式。即:純概念的研究。通過(guò)這種方式,我們可以容易的推導出這些很重要但在現實(shí)中不易想象的新內容。