赤道是最短的经线吗,赤道是南北纬的什么线

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-02-24 06:29:42

很显然,马鞍面上的点、线、面之间的关系确实是罗巴切夫斯基所描述的那样:

两条平行线,在一侧无限接近,而在另一侧无限远离;

三角形的三个内角之和小于180°;

存在边长无限而内角和为零的三角形(图5)。

赤道是最短的经线吗,赤道是南北纬的什么线(5)

除此之外,还有许多怪异的现象。比如,在欧式几何中,垂直于同一直线的两条直线互相平行,而在非欧几何中,垂直于同一直线的两条直线,当两端延长的时候,相互间可以越来越远离;在欧式几何中,存在相似的多边形,而在非欧几何中,不存在相似的多边形;等等。总之,在欧式几何中,凡涉及到平行公理的理论,在非欧几何中都不成立,它们都相应地有新的含义。

球面几何才更符合实际

其实说起非欧几何,人们首先想到的是黎曼几何,黎曼几何因被爱因斯坦用来创立著名的广义相对论而出了名。

黎曼几何是非欧几何进一步发展的形式,适用的范围更大,它包括前面的双曲几何的情况,除此之外,还有封闭曲面上的几何,例如椭圆面几何、球面几何等。其中以球面几何最令人关注。

球面几何在我们看来也是非常怪异的几何,有很多怪异的理论,例如:直线的长度是有限的,封闭的;两点之间最短的线不是直的,而是弧线;过某些特殊的两个点,可以有无数条直线;过直线外一点,没有直线与该直线平行;任意两条直线必相交于两点,没有平行的概念;三角形内角和大于180°;不存在相似的三角形;等等。

读者可以在球面上试验一下这些结论,确实是这样的。因为球面上的直线就是一个大圆(过球心的平面与球面相交的圆),是封闭的,所以球面上两点间最短的线(即球面几何里的直线定义)是大圆上这两点之间的弧;同时,球的直径与大圆会有两个交点,通过这两个点可以作无数条直线(大圆),就像通过地球南北极可以有无数条相对应的、能把地球平均分成两半的经线一样;如果在经线之外有一个点,通过这一点,我们所作的直线可以有无数条,都是与这条经线相交的,没有平行的,并且有两个交点;而且,无论怎么画,在球面上画出的三角形内角和都是大于180°,如东经1°和2°的经线与赤道线会形成大小两个三角形,小三角形的顶角是1°,两个底角都是90°,所以小三角形内角和是181°。而外面的大三角形的顶角是359°,两个底角都是90°,所以大三角形的内角和是539°;而0°与东经180°形成的三角形的顶角是180°,两个底角都是90°,所以这个三角形内角和是360°。

其实宇宙中大部分天体都是球体,牵扯到这些天体的几何学,需要用球面几何。我们的地球本身就是个球,应该适用球面几何,为什么我们长达2000多年坚持欧式平面几何,甚至非平面几何出现后,我们还很不理解呢?

也许相对于渺小的我们来说,地球太大了,用平面几何来近似处理地球上小范围的尺寸也没有明显的误差,于是也就想当然地以为欧式平面几何是唯一正确的几何了。其实不然。

赤道是最短的经线吗,赤道是南北纬的什么线(6)

把地球表面投影到圆柱上

随着非欧几何出现,19世纪还出现了一种几何叫射影几何。这种几何是非常贴近生活的,它研究的是投影现象,比方说,有一盏灯, 它照射在透明玻璃上, 那么玻璃上的图形在地面上的投影是怎样的?

例如,如果玻璃不平行于地面, 玻璃上两条平行直线在灯光下的投影可能不再平行;玻璃上的圆在灯光下的影子一般不再是圆, 而是椭圆;更奇异的是,如果玻璃足够大,它上面的一个圆也足够大, 玻璃竖立起来后,如果灯的高度不超过圆的高度,那么这个圆在地面上的投影就会是双曲线的一支!在射影几何中,椭圆、双曲线、抛物线都是“全等”的图形,可以通过调节灯光的角度,让它们相互变换,例如圆的影子在一定情况下就可以是一条双曲线,而且调节灯光的角度,还可以让影子双曲线变大、变小,或改变形状。

还有一种射影几何,是研究无限远灯光投影下的图形是怎么变化的。如果把上面的灯换成太阳, 由于距离地球很远,在小范围内可以看做平行投影,玻璃上两条平行直线投影到地面上也会是平行直线,玻璃上的圆会投影为椭圆, 但决不会是双曲线。

射影几何是非常有趣的几何,普通的物体可以有怪异的投影,完全不同的物体,也许投影却是相同的。

在地图的绘制上,射影几何很有用,因为地图的绘制都需要一定的投影规则,例如航海上常用的墨卡托投影地图,就是假设地球被围在一中空的圆柱里,赤道线与圆柱壁垂直,然后再假想地球中心有一盏灯,把球面上的图形投影到圆柱面上,再把圆柱面展开,得到地图。这种地图优点是把球面变成平面,比较直观。缺点是靠近赤道线的比较符合实际,但越靠两极就越走样了。

无限周长,面积有限

20世纪70年代,出现了一种更怪异的几何——分形几何。“一个有限的面积,却有着无限长的周长”和“一个物体有着无限大的表面积,体积却为零”,这两种情况可能让人难以理解,但在分形几何里,这样的情况却比比皆是。

取出笔和纸,让我们现在就来画一个有着无限周长的图形(有限面积当然不用说了,你不可能拿出一张面积无限大的纸)。

第一步:画一个等边三角形。

第二步:把每条边三等分。

第三步:以中间的那条三等分线段为底边,向外画一个小的等边三角形。

第四步:画完之后,把这条底边擦去。

不停地重复以上第二到第四个步骤,你将得到一个雪花形状的曲线;重复无限多次,得到的曲线在数学上叫科赫曲线。

我们来看一下科赫曲线有什么特点。首先,每重复操作一次,它的周长就扩大4/3倍,重复n次,其周长将是最初周长的。当n趋向无穷时,其周长也趋于无穷大。

但是,它所包围的面积却增加得并不多,永远不会超过以原先三角形中心为圆心,中心到顶点的距离为半径的圆的面积。这一点,你在画图的时候可以验证。经过简单计算可以得到,当n趋向无穷时,科赫曲线所围的面积是最初三角形面积的8/5倍。

赤道是最短的经线吗,赤道是南北纬的什么线(7)

你瞧,科赫曲线就是这样一个例子:它有着无限长的周长,但同时所围的面积却是有限的。

如果把科赫曲线的任意一个微小部分放大,你会看到,不论这个部分有多么小,它的形状都和整体相似。这是分形几何图形的一个特点:不论怎么复杂,局部总与整体相似;适当地放大或缩小几何尺寸,整个结构不变。这叫自相似性。

其实,自相似性对于我们并不陌生。生活中很多事物都具有自相似性。例如,一块磁铁中的每一部分都像整体一样具有南北两极,不断分割下去,每一部分都具有和整体磁铁相似的磁场。

海岸线长度取决于尺子

我们在中学地理课上大概都学过,我国大陆海岸线有18000多千米,岛屿海岸线有14000多千米……不过,这种说法可靠么?

为什么要提这个问题呢?看了下面这个例子你就知道了。

1920年代,一位英国科学家在调查海岸线和曲折的国境线时感到十分困惑,他核查了西班牙、葡萄牙、比利时等国的百科全书,发现这些国家对共同边界长度的估计相差20%。原因何在?原来是这些国家传统上所用的长度标准不同造成的,换句话说,即使同一段边境线,测量时若所用的尺子长短不一,也会造成很大的测量误差。

这个道理是比较明显的。我们试想:一个测量员拿着一只两脚规,把它张成一米宽,去一步步测量一条海岸线。对于他来说,即使连接相邻两点的是一条弯弯绕的曲线,但在测量过程中,也被当作一条直线忽略过去了。这样,他测量得到的海岸线长度肯定要比实际的短。

如果他把圆规张成1/10米宽,那么他的测量就会反映出更多的细节,这时他测得的海岸线长度将比以1米为单位测得的长度要长。

如果他把圆规张成1/100米宽,那测得的海岸线长度将更长……总之,他用的测量尺子越小,所测量到的海岸线长度就越长。

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