几何学——想象力与创造力的天堂,不断改变人类理解世界的方式( 三 )


米歇尔·沙勒在射影几何中强调了6个交比(或称非调和比) , 4个共线点或4条共点线的(c-a)/(c-b)∶(d-a)/(d-b) , 以及这些比在射影变换下的不变性 。 他的《论高等几何》在确立有向线段在纯几何中的使用上也很有影响 。 沙勒的《几何学中的方法的起源与发展简史》也很有名 , 他是法国最伟大的射影几何学家之一 。 他在晚年开创了枚举几何学的研究 , 这是代数几何学的一个分支 , 其任务就是要借助几何解释来确定代数问题的解法的数量 。 在这个领域以及其他领域 , 他极其出色地利用了“对应原理” 。
综合度量几何学:施泰纳
沙勒的成果在很多方面与几个德国几何学家的成果相重叠 。 其中最著名的是雅各·施泰纳 , 他一直被认为是现时代最伟大的综合几何学家 。 在他的手上 , 综合几何取得的进展比得上早些年分析学所取得的进展 。 他非常不喜欢解析的方法 。 解析这个词暗示了一定数量的技术或机械;解析法常常被称作一个工具 , 而工具这个说法从未应用于综合法 。 施泰纳反对几何学中一切种类的工具或“小道具” 。 他只用综合的方法来论证 , 在发表于《克列尔杂志》上的一篇论文中 , 有一个引人注目的定理看上去自然属于分析学:一个三次曲面只包含27条线 。
施泰纳还证明了 , 只要给你一个固定的圆 , 欧几里得的作图可以只用直尺来作 。 这个定理表明 , 在欧几里得的几何中 , 你不可能完全没有圆规 , 但是在用圆规画一个圆之后 , 你就可以丢掉圆规 , 只用直尺
施泰纳的名字在很多方面被人们所记忆 , 包括施泰纳点的属性:如果你用所有可能的方式把一条圆锥曲线上的6个点连成帕斯卡尔的神秘六边形 , 你就获得了60条帕斯卡尔线 , 三条三条地相交于20个施泰纳点 。 在施泰纳未发表的发现当中 , 有一些发现涉及到那种富有成果的被称作“反演几何”的几何变换


若两个点P和P'在一条射线上 , 这条射线源自一个半径为r(r≠0)的圆C的圆心O , 且OP和OP'这两个距离的积是r2 , 则我们就说 , P和P'互为关于C的反演点 。 对圆外的每个点P , 圆内都有一个对应的反演点 。 由于当点P与圆心O重合时圆外不存在点P'与P对应 , 于是我们就有了一个悖论 , 它在某种意义上类似于波尔查诺的悖论:每个圆(不管它多么小)的内部所包含的点 , 可以说比圆外部分还要多一个点 。 我们用完全一样的方式 , 很容易在三维空间里定义一个点关于一个球体的反演点 。
很多平面或立体反演几何的定理 , 都很容易通过解析或综合的方法来证明 。 特别是 , 我们很容易证明:在反演变换下 , 一个不通过反演中心的圆被变换为一个圆 , 而一个通过反演中心的圆被变换为一条不通过反演中心的直线(类似的结论对三维反演几何中的球体和平面也适用) 。 更难证明的是这样一个更重要的结论:反演是保角变换 , 也就是说 , 在反演几何中曲线之间的夹角得以保持 。 角变换很不寻常 , 这一点可以从约瑟夫·刘维尔所证明的下面这个定理中清楚地看出:在空间里 , 唯一保角的变换是反演变换以及相似和全等变换 。 施泰纳没有发表他的关于反演的观念 , 反演变换被这个世纪的其他数学家几次重新发现 , 其中包括开尔文勋爵 , 1845年 , 他通过物理学得出了反演变换 , 并把它应用于静电学中的问题 。
如果半径为a的反演圆的圆心O是一个笛卡尔坐标系的原点 , 那么点P(x , y)的反演点P'的坐标x'和y'被下面的公式给出:

这两个公式后来启发了路易吉·克雷莫纳 , 他研究更加一般化的变换x'=R1(x , y)、y'=R2(x , y) , 式中R1和R2是有理代数函数 。 这样的变换(反演变换只是其特例)被称作克雷莫纳变换 , 以纪念这个在1863年发表关于它们的介绍的人 , 他后来针对三维空间把它们进行了一般化 。
综合度量几何学:施陶特
施泰纳在他1832年出版的《几何图形之相互依赖性的系统发展》中论述了基于度量考量的射影几何 。 若干年后 , 纯几何学找到了另一位德国信徒 , 他就是高斯的学生K.G.C.冯·施陶特 , 他1847年出版的《位置几何学》构建了不涉及量或数的射影几何学 。 施陶特的几何学极其重要 , 因为它显示了射影几何如何能在没有距离概念的情况下建立起来 , 因此为下面这个观念铺平了道路:有一种非度量几何 , 可以在它的基础上定义距离概念 。 几年之后 , 法国的拉盖尔讨论了把度量强加给非度量角度几何学的可能性 。 然而 , 正是阿瑟·凯莱 , 后来在他的“六论齐次多项式”中 , 对于在射影几何的基础上定义度量的整个概念 , 提出了最有影响的阐述 。

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