有人说直线是半径无穷大的圆,这个理论对吗?
▍✻有人说直线是半径无穷大的圆,这个理论对吗?
答:在数学的某些场合中,这个说法是完全正确的,比如在射影几何当中,直线是半径无穷大的圆,以及平行线相交于无穷远处都是正确的描述,而射影几何属于欧式几何的一部分。
“直线是半径无穷大的圆”——这个描述表面上看起来似乎有些道理,但是总觉得哪不对,于是很多人首先会把这个说法当成错误的。
实际上,在射影几何当中,这个结论不仅是正确的,而且还变得相当重要,类似的描述还有“平行线相交于无穷远”。
在射影几何当中,有一个非常漂亮的原理——对偶原理,指在平面射影几何当中,我们把一个定理当中的对偶元素互换,相对应的性质也替换后,得到的命题依然成立;比如“点”和“直线”、“直线”和“平面”就是对偶元素。
而“过两点只能做一条直线”和“两条线只能交于一点”就属于对偶的两个定理,对偶原理非常强大,对于射影几何中的任何定理,利用对偶原理之后都可以得到一个全新的定理,比如1640年法国数学家发现了著名的六边形定理:
Pascal六边形定理:如果一个六边形内接于一条圆锥曲线,则该六边形的三对对边的交点共线。
然后在一百多年后的1806年,一位法国大学生布列安桑,发现了另外一个著名的六边形定理:
Brianchon六边形定理:如果一个六边形的六条边都和一条圆锥曲线相切,则该六边形的三对顶点的连线相交于一点。
如果我们不使用对偶原理,那么后一个六边形定理的证明将会变得十分复杂,一旦有了对偶原理,我们利用Pascal六边形定理得到后者只需要几分钟而已,这种数学原理之间的对称性相当美妙。
但是问题在于,我们在使用对偶原理时,必须接受“平行线相交于无穷远”这个描述,如果我们不承认这个描述,那么我们使用对偶原理时将会出现很多例外,一旦我们接受了这个描述,对偶原理将没有任何例外。
同样,关于“直线是半径无穷大的圆”,也是射影几何当中使用的正确描述,我们在使用对偶原理时也必须承认这个假设成立。
射影几何只是欧式平面几何的一部分,虽然对偶原理仅限于在射影几何中使用,但是对偶原理的思想在很多地方都有遇到,比如电磁学中的“电”和“磁”,电路分析当中的“并联”和“串联”、“电容”和“电抗”等等。
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▍▷有人说直线是半径无穷大的圆,这个理论对吗?
这是很基本的数学概念,在绝大多数“几何”场合,都是对的。
这个概念在初中学平面几何时已经接触过了,当然对学过微积分和极限的人来说这是显而易见的。
罗巴切夫斯基在最早通过构造“非欧几何”来证明欧几里得第五公设确实是公理而非定理时,构造了一个用传统欧氏几何改造的几何空间,符合欧几里得的前4条公设但不符合第五公设(平行公理),罗巴切夫斯基证明了该几何空间是自洽的,从而证明了第五公设对于欧几里得几何是不可或缺,也不可被其他公理所推导出来的。
罗巴切夫斯基所构造的这个空间里,就把直线和圆(严格的说是射线和半圆)完全统一起来了。
直线就是圆心在无穷远点的圆,这一概念的确是被数学普遍采用的。从解析几何的角度看,直线方程本身就等价于圆方程的一种极限形式。
▍✉有人说直线是半径无穷大的圆,这个理论对吗?
这个说法是错误的,直线不是半径无穷大的圆,但是可以说,直径无穷大的圆和直线重合。
数学中有一条公理:无穷小不是零!无穷小可以作为除数,但是零不行。无穷小有大小之分,有高阶无穷小和低阶无穷小,所有的零都是一样的。但是无穷小等于零,无限接近就是等于,正如0.999……=1。
无穷大也是一样的,有高阶无穷大和低阶无穷大,只是无穷小有零可以对比,无穷大还找不到对比的数。但在本质上,它们都是一样的,是一一对应的,任意数除以无穷小就是无穷大。
回到初始问题。圆就是圆,相当于无穷小;直线就是直线,相当于零。有直径普通无穷大的圆,有直径高阶无穷大的圆,这些圆是不一样的,所有的直线都是一样的。但是,所以直径无穷大的圆都可以和直线重合!因为无限接近就是等于。
▍↺有人说直线是半径无穷大的圆,这个理论对吗?
直线是半径无穷大的圆,这一观点在射影几何学中是正确的。
当一个圆的半径无穷大,其周长也是无穷大,圆周上任意两点之间的弧无穷长,弧上任意一点的曲率都为0,就是说该圆弧无限接近于一条直线。而直线也无穷长,因此认为它们是等价的。同样,我们可以认为直线的曲率处处为0,它的曲率半径无穷大。
举个例子。我们的直觉告诉我们地面是平的,实际上当我们离地面足够远时,就会发现地面其实是弯曲的。如果地球的半径无穷大,不管你在哪个观察点,都只会发现地面是平的。
射影几何研究几何图形在射影变换下依然保持不变的图形性质。射影其实就是投影的意思,比如中心投影和平行投影,因此射影几何又被叫做投影几何。
所谓的射影变换就是利用中心投影或者平行投影将一个图形变换为另一个图形。在数学中大家最常见的有全等变换和相似变换,此外还有射影变换、仿射变换、拓扑变换等。
由于绘画和建筑学的需要,古希腊时期的学者就已经开始研究投影,并诞生了几何透视法。基于对中心投影的研究,在17世纪,射射影几何学正式建立,成为了几何学的一个分支。由于其研究范围狭窄,内容很有限。19世纪以后,随着群概念的引入,射影几何又充满了生机。
射影几何学中引入了无穷远点、无穷远直线、无穷远平面的概念。而射影几何学的奠基人是帕斯卡和笛沙格,画法几何创始人蒙日的学生彭赛列对射影几何的贡献也非常大。
在射影几何学中,因为引入了无穷的概念,直线被看作是半径无穷大的圆,而圆的切线被看作是割线的极限。平面几何中认为平行线永不相交,射影几何则认为平行线相交于无穷远点。基于该观点,就可以用中心投影来取代平行投影了。
如上图所示,实际上平行的铁轨在我们的视线下却是相交的。
而对偶原理是射影几何的基本原理,它将点和直线看作对偶元素,直线上取一点和过一点作一条直线被称之为对偶运算。前面说的是平面,在立体空间中点和平面则是对偶元素。在射影空间中,如果一个命题是正确的,其对偶命题也是正确的。文学中就有对偶的概念 。对偶的概念与对称的概念类似,就是说两个概念之间具有很强的关联性,如电和磁。
数学中经常研究变换下的不变性,比如在拓扑变换中,圆、三角形、正方形都是等价的。这些观点在现实世界中看着确实不合理,但在数学中却很有趣。
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▍♆有人说直线是半径无穷大的圆,这个理论对吗?
道路工程有个缓和曲线,就是弯道,如果采用圆弧连接,在车速较快时,人就不舒服,要承受侧向惯性,或者叫横向失重。为了避免这情况,在直线和圆连接时,增加缓和曲线,同理,圆曲线与直线之间也有缓和曲线。转弯表达为:直行~半径无穷大的圆曲线~半径逐渐减小的缓和曲线~设定半径的圆弧曲线~半径逐渐增加到无穷大的缓和曲线~直行。可见,这是直线就是半径无穷大的圆,这一论点的实际应用。
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