กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 13 นาที

เรขาคณิตนอกยุคลิด

ในทางคณิตศาสตร์เรขาคณิตนอกยุคลิดประกอบด้วยเรขาคณิตสองแบบที่อิงตามสัจพจน์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับสัจพจน์ที่ระบุเรขาคณิตยุคลิดเนื่องจากเรขาคณิตยุคลิดอยู่ตรงจุดตัดของเรขาคณิตเมตริ...

เรขาคณิตนอกยุคลิด

พฤติกรรมของเส้นตรงที่มีเส้นตั้งฉากร่วมในเรขาคณิตทั้งสามประเภท

ในทางคณิตศาสตร์เรขาคณิตนอกยุคลิดประกอบด้วยเรขาคณิตสองแบบที่อิงตามสัจพจน์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับสัจพจน์ที่ระบุเรขาคณิตยุคลิดเนื่องจากเรขาคณิตยุคลิดอยู่ตรงจุดตัดของเรขาคณิตเมตริกและเรขาคณิตเชิงเส้น เรขาคณิตนอกยุคลิดจึงเกิดขึ้นได้จากการแทนที่สัจพจน์เส้นขนานด้วยสัจพจน์อื่น หรือการพิจารณารูปแบบกำลังสองอื่นนอกเหนือจากรูปแบบกำลังสองที่แน่นอนซึ่งเกี่ยวข้องกับเรขาคณิตเมตริกในกรณีแรก จะได้เรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกและเรขาคณิตวงรีซึ่งเป็นเรขาคณิตนอกยุคลิดแบบดั้งเดิม เมื่อยอมรับรูปแบบกำลังสองแบบไอโซโทรปิก แล้ว จะมีระนาบเชิงเส้นที่เกี่ยวข้องกับ พีชคณิตระนาบซึ่งก่อให้เกิดเรขาคณิตจลนศาสตร์ที่เรียกว่าเรขาคณิตนอกยุคลิดเช่นกัน

หลักการ

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเรขาคณิตเมตริกคือลักษณะของเส้นขนานสัจพจน์ข้อที่ห้าของยูคลิด หรือ สัจพจน์เส้นขนานเทียบเท่ากับสัจพจน์ของเพลย์แฟร์ซึ่งกล่าวว่า ภายในระนาบสองมิติ สำหรับเส้นตรงl ใดๆ และจุดA ใดๆ ที่ไม่ได้อยู่บน เส้นตรง lจะมีเส้นตรงเพียงเส้นเดียวที่ลากผ่าน จุด A และ ไม่ตัดกับเส้นตรงlในทางตรงกันข้าม ในเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก มี เส้นตรงที่ลากผ่านจุด A และไม่ตัดกับเส้น ตรงlเป็นจำนวนอนันต์ในขณะที่ในเรขาคณิตวงรี เส้นตรงใดๆ ที่ลากผ่านจุดA จะ ตัดกับ เส้น ตรงl

อีกวิธีหนึ่งในการอธิบายความแตกต่างระหว่างรูปทรงเรขาคณิตเหล่านี้คือการพิจารณาเส้นตรงสองเส้นที่ทอดยาวไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุดในระนาบสองมิติ ซึ่งทั้งสองเส้นตั้งฉากกับเส้นตรงที่สาม (ในระนาบเดียวกัน):

  • ในเรขาคณิตแบบยูคลิด เส้นตรงจะอยู่ห่างกันในระยะ คงที่ (หมายความว่า เส้นตรงที่ลากตั้งฉากกับเส้นตรงเส้นหนึ่ง ณ จุดใดๆ จะตัดกับเส้นตรงอีกเส้นหนึ่ง และความยาวของส่วนของเส้นตรงที่เชื่อมจุดตัดจะคงที่) และเส้นตรงเหล่านี้เรียกว่า เส้นขนาน
  • ในเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก เส้นเหล่านี้จะแยกออกจากกัน โดยระยะห่างจะเพิ่มขึ้นเมื่ออยู่ห่างจากจุดตัดกับเส้นตั้งฉากร่วม เส้นเหล่านี้มักเรียกว่า เส้นอัลตร้าพาราเล
  • ในเรขาคณิตวงรี เส้นต่างๆ จะลู่เข้าหากันและตัดกัน

ประวัติศาสตร์

พื้นหลัง

เรขาคณิตแบบยุคลิดซึ่งตั้งชื่อตามยูคลิดนักคณิตศาสตร์ชาวกรีก นั้น ครอบคลุมคณิตศาสตร์ที่เก่าแก่ที่สุดบางส่วน และเรขาคณิตที่เบี่ยงเบนไปจากเรขาคณิตแบบนี้จะไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นสิ่งที่ถูกต้อง จนกระทั่งศตวรรษที่ 19

การถกเถียงที่นำไปสู่การค้นพบเรขาคณิตนอกยุคยูคลิดเริ่มต้นขึ้นเกือบจะในทันทีที่ยูคลิดเขียนหนังสือElementsในหนังสือElementsยูคลิดเริ่มต้นด้วยสมมติฐานจำนวนจำกัด (23 นิยาม 5 แนวคิดทั่วไป และ 5 ส postulates) และพยายามพิสูจน์ผลลัพธ์อื่นๆ ทั้งหมด ( propositions ) ในงานเขียนนั้น ส postulates ที่โด่งดังที่สุดมักถูกเรียกว่า "ส postulate ข้อที่ห้าของยูคลิด" หรือเรียกง่ายๆ ว่า สpostulate เส้นขนานซึ่งในสูตรดั้งเดิมของยูคลิดมีดังนี้:

ถ้าเส้นตรงเส้นหนึ่งตัดกับเส้นตรงสองเส้นในลักษณะที่มุมภายในด้านเดียวกันรวมกันแล้วน้อยกว่าสองมุมฉาก เส้นตรงทั้งสองนั้น ถ้าลากต่อไปเรื่อยๆ จะมาบรรจบกันที่ด้านที่มีมุมรวมกันแล้วน้อยกว่าสองมุมฉาก

นักคณิตศาสตร์คนอื่นๆ ได้คิดค้นรูปแบบที่เรียบง่ายกว่าของสมบัติข้อนี้ อย่างไรก็ตาม ไม่ว่ารูปแบบของสัจพจน์จะเป็นอย่างไร มันก็ดูซับซ้อนกว่าสัจพจน์อื่นๆ ของยูคลิด เสมอ :

  1. การลากเส้นตรงจากจุดใดจุดหนึ่งไปยังจุดใดจุดหนึ่ง
  2. เพื่อต่อขยายเส้นตรงที่มีความยาวจำกัดอย่างต่อเนื่องเป็นเส้นตรง
  3. เพื่ออธิบายวงกลมที่มีจุดศูนย์กลางและรัศมีใดๆ
  4. มุมฉากทุกมุมมีขนาดเท่ากัน

เป็นเวลาอย่างน้อยหนึ่งพันปีแล้วที่นักเรขาคณิตต่างรู้สึกไม่สบายใจกับความซับซ้อนที่แตกต่างกันของสัจพจน์ข้อที่ห้า และเชื่อว่าสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นทฤษฎีบทจากสัจพจน์อีกสี่ข้อ หลายคนพยายามหาการพิสูจน์โดยการขัดแย้งรวมถึงIbn al-Haytham (Alhazen, ศตวรรษที่ 11) [ 1 ] Omar Khayyám (ศตวรรษที่ 12), Nasīr al-Dīn al-Tūsī (ศตวรรษที่ 13) และGiovanni Girolamo Saccheri (ศตวรรษที่ 18)

ทฤษฎีบทของ Ibn al-Haytham, Khayyam และ al-Tusi เกี่ยวกับรูปสี่เหลี่ยมรวมถึงรูปสี่เหลี่ยม Lambertและรูปสี่เหลี่ยม Saccheriถือเป็น "ทฤษฎีบทแรกๆ ของเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกและเรขาคณิตวงรี " ทฤษฎีบทเหล่านี้พร้อมกับสมมติฐานทางเลือกอื่นๆ เช่นสัจพจน์ของ Playfairมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเรขาคณิตนอกยุคยูคลิดในภายหลัง ความพยายามในช่วงแรกๆ เหล่านี้ในการท้าทายสัจพจน์ข้อที่ห้ามีอิทธิพลอย่างมากต่อการพัฒนาในหมู่นักเรขาคณิตชาวยุโรปรุ่นหลัง รวมถึงWitelo , Levi ben Gerson , Alfonso , John Wallisและ Saccheri [ 2 ] อย่างไรก็ตาม ความพยายามในช่วงแรกๆ เหล่านี้ทั้งหมดในการพยายามกำหนดเรขาคณิตนอกยุคยูคลิดได้ให้การพิสูจน์ที่บกพร่องของสัจพจน์เส้นขนาน โดยขึ้นอยู่กับสมมติฐานที่ปัจจุบันได้รับการยอมรับว่าเทียบเท่ากับสัจพจน์เส้นขนานโดยพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม ความพยายามในช่วงแรกเหล่านี้ได้ให้คุณสมบัติเบื้องต้นบางประการของเรขาคณิตแบบไฮเปอร์โบลิกและแบบวงรี

ตัวอย่างเช่น คายยัมพยายามที่จะได้มาซึ่งทฤษฎีบทจากสมมติฐานที่เทียบเท่ากันซึ่งเขากำหนดขึ้นจาก "หลักการของนักปรัชญา" ( อริสโตเติล ): "เส้นตรงสองเส้นที่บรรจบกันจะตัดกัน และเป็นไปไม่ได้ที่เส้นตรงสองเส้นที่บรรจบกันจะแยกออกจากกันในทิศทางที่พวกมันบรรจบกัน" [ 3 ]จากนั้นคายยัมพิจารณากรณีสามกรณีคือ มุมฉาก มุมป้าน และมุมแหลม ที่มุมยอดของรูปสี่เหลี่ยมซัคเคอรีสามารถเป็นได้ และหลังจากพิสูจน์ทฤษฎีบทจำนวนหนึ่งเกี่ยวกับพวกมันแล้ว เขาก็หักล้างกรณีมุมป้านและมุมแหลมได้อย่างถูกต้องโดยอาศัยสมมติฐานของเขา และด้วยเหตุนี้จึงได้มาซึ่งสมมติฐานคลาสสิกของยูคลิด ซึ่งเขาไม่รู้ว่าเทียบเท่ากับสมมติฐานของเขาเอง อีกตัวอย่างหนึ่งคือบุตรชายของอัล-ตูซี ซาดร์ อัล-ดิน (บางครั้งรู้จักกันในชื่อ "ซูโด-ตูซี") ซึ่งเขียนหนังสือเกี่ยวกับเรื่องนี้ในปี 1298 โดยอิงจากความคิดในภายหลังของอัล-ตูซี ซึ่งนำเสนอสมมติฐานอีกประการหนึ่งที่เทียบเท่ากับสมมติฐานเส้นขนาน "โดยพื้นฐานแล้ว เขาได้แก้ไขทั้งระบบสัจพจน์และสมมติฐานของยุคลิด รวมถึงการพิสูจน์ข้อเสนอหลายข้อจากElements " [ 4 ] [ 5 ]งานของเขาได้รับการตีพิมพ์ในกรุงโรมในปี 1594 และได้รับการศึกษาโดยนักเรขาคณิตชาวยุโรป รวมถึง Saccheri [ 4 ]ซึ่งวิจารณ์งานนี้เช่นเดียวกับงานของ Wallis [ 6 ]

จิออร์ดาโน วิตาเลในหนังสือEuclide restituo (ค.ศ. 1680, 1686) ของเขา ใช้รูปสี่เหลี่ยมซัคเครีเพื่อพิสูจน์ว่า ถ้าจุดสามจุดอยู่บนฐาน AB และจุดยอด CD โดยอยู่ห่างเท่ากันแล้ว AB และ CD ก็จะอยู่ห่างเท่ากันทุกที่

ในงานเขียนชื่อEuclides ab Omni Naevo Vindicatus ( ยูคลิดผู้ปราศจากข้อบกพร่องทั้งปวง ) ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1733 ซัคเคอรีได้ปฏิเสธความเป็นไปได้ของเรขาคณิตวงรีอย่างรวดเร็ว (เนื่องจากต้องมีการปรับเปลี่ยนสัจพจน์อื่นๆ ของยูคลิดเพื่อให้เรขาคณิตวงรีใช้งานได้) และเริ่มลงมือพิสูจน์ผลลัพธ์จำนวนมากในเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก

ในที่สุดเขาก็มาถึงจุดที่เชื่อว่าผลลัพธ์ของเขาแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปไม่ได้ของเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก ข้ออ้างของเขาดูเหมือนจะตั้งอยู่บนสมมติฐานแบบยุคลิด เนื่องจากไม่มี ข้อขัดแย้ง ทางตรรกะใดๆ ปรากฏอยู่ ในความพยายามที่จะพิสูจน์เรขาคณิตแบบยุคลิดนี้ เขากลับค้นพบเรขาคณิตแบบใหม่ที่ใช้ได้จริงโดยไม่ได้ตั้งใจ แต่เขาไม่รู้ตัว

ในปี ค.ศ. 1766 โยฮันน์ แลมเบิร์ตได้เขียน แต่ไม่ได้ตีพิมพ์Theorie der Parallellinienซึ่งเขาพยายามพิสูจน์สัจพจน์ข้อที่ห้าเช่นเดียวกับซัคเคอรี เขาทำงานกับรูปทรงที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อรูปสี่เหลี่ยมแลมเบิร์ต ซึ่งเป็นรูปสี่เหลี่ยมที่มีมุมฉากสามมุม (สามารถถือได้ว่าเป็นครึ่งหนึ่งของรูปสี่เหลี่ยมซัคเคอรี) เขาได้ขจัดความเป็นไปได้ที่มุมที่สี่จะเป็นมุมป้านอย่างรวดเร็ว เช่นเดียวกับที่ซัคเคอรีและคัยยัมได้ทำ และจากนั้นก็ดำเนินการพิสูจน์ทฤษฎีบทหลายข้อภายใต้สมมติฐานของมุมแหลม แตกต่างจากซัคเคอรี เขาไม่เคยรู้สึกว่าเขาพบข้อขัดแย้งกับสมมติฐานนี้ เขาได้พิสูจน์ผลลัพธ์ที่ไม่ใช่แบบยุคลิดว่าผลรวมของมุมในสามเหลี่ยมจะเพิ่มขึ้นเมื่อพื้นที่ของสามเหลี่ยมลดลง และสิ่งนี้ทำให้เขาคาดเดาถึงความเป็นไปได้ของแบบจำลองกรณีมุมแหลมบนทรงกลมที่มีรัศมีจินตนาการ เขาไม่ได้พัฒนาความคิดนี้ต่อไปอีก[ 7 ]

ในเวลานั้นเป็นที่เชื่อกันอย่างกว้างขวางว่าจักรวาลทำงานตามหลักการของเรขาคณิตแบบยุคลิด[ 8 ]

การพัฒนาเรขาคณิตนอกยุคลิด

ต้นศตวรรษที่ 19 ในที่สุดก็ได้เห็นขั้นตอนสำคัญในการสร้างเรขาคณิตนอกยุคลิด ประมาณปี 1813 คาร์ล ฟรีดริช เกาส์ และโดยอิสระจากกันประมาณปี 1818 เฟอร์ดินานด์ คาร์ลชไวคาร์ ท ศาสตราจารย์ด้านกฎหมายชาวเยอรมัน[ 9 ]ได้พัฒนาแนวคิดพื้นฐานของเรขาคณิตนอกยุคลิด ชไวคาร์ทตีพิมพ์ผลงานของเขาในหนังสือของเขาในปี 1807 [ 10 ]ตามที่จอร์จ บรูซ ฮัลสเตด[ 11 ] กล่าวไว้ ว่า "ชไวคาร์ทอาจถือได้ว่าเป็นคนแรกที่ตีพิมพ์บทความที่มีสติสัมปชัญญะอย่างแท้จริงเกี่ยวกับเรขาคณิตนอกยุคลิด ซึ่งกำหนดวันที่ของการสร้างและการตั้งชื่อเรขาคณิตนอกยุคลิดอย่างมีสติครั้งแรกไว้ระหว่างปี 1812 ถึง 1816" หลานชายของ Schweikart ชื่อFranz Taurinusได้ตีพิมพ์ผลลัพธ์ที่สำคัญของตรีโกณมิติไฮเปอร์โบลิกในเอกสารสองฉบับในปี พ.ศ. 2368 และ พ.ศ. 2469 แม้ว่าจะยอมรับความสอดคล้องภายในของเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก แต่เขาก็ยังคงเชื่อในบทบาทพิเศษของเรขาคณิตยุคลิด[ 12 ]

จากนั้นในปี 1829–1830 นักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซียNikolai Ivanovich Lobachevskyและในปี 1832 นักคณิตศาสตร์ชาวฮังการีJános Bolyaiได้ตีพิมพ์ตำราเกี่ยวกับเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกแยกกันและเป็นอิสระต่อกัน ส่งผลให้เรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกถูกเรียกว่าเรขาคณิตแบบ Lobachevsky หรือเรขาคณิตแบบ Bolyai-Lobachevsky เนื่องจากนักคณิตศาสตร์ทั้งสองเป็นผู้ประพันธ์พื้นฐานของเรขาคณิตนอกยุคยูคลิดโดยอิสระต่อกันGaussกล่าวกับบิดาของ Bolyai เมื่อได้เห็นผลงานของ Bolyai ผู้น้องว่าเขาได้พัฒนาเรขาคณิตดังกล่าวเมื่อหลายปีก่อน[ 13 ] แม้ว่าเขาจะไม่ได้ตีพิมพ์ ในขณะที่ Lobachevsky สร้างเรขาคณิตนอกยุคยูคลิดโดยการปฏิเสธสัจพจน์เส้นขนาน Bolyai ได้พัฒนาเรขาคณิตที่ทั้งเรขาคณิตแบบยูคลิดและเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิ กเป็นไปได้ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์  kโบไลย์ปิดท้ายงานของเขาโดยกล่าวว่า เป็นไปไม่ได้ที่จะตัดสินด้วยเหตุผลทางคณิตศาสตร์เพียงอย่างเดียวว่าเรขาคณิตของจักรวาลทางกายภาพเป็นแบบยุคลิดหรือแบบไม่ยุคลิด นี่เป็นภารกิจของวิทยาศาสตร์กายภาพ

เบอร์นาร์ด รีมันน์ในการบรรยายที่มีชื่อเสียงในปี พ.ศ. 2397 ได้วางรากฐานสาขาเรขาคณิตแบบรีมันน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งการอธิบายแนวคิดที่เรียกว่าแมนิโฟลด์เมตริกแบบรีมันน์และความโค้งเขาสร้างตระกูลเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดจำนวนอนันต์โดยให้สูตรสำหรับตระกูลเมตริกแบบรีมันน์บนลูกบอลหน่วยในปริภูมิยุคลิด เรขาคณิต ที่ง่ายที่สุดในตระกูลนี้เรียกว่าเรขาคณิตเชิงวงรีและถือว่าเป็นเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดเนื่องจากไม่มีเส้นขนาน[ 14 ]

ด้วยการกำหนดเรขาคณิตในรูปของเทนเซอร์ ความโค้ง รีมันน์จึงทำให้เรขาคณิตแบบไม่ยุคลิดสามารถนำไปใช้กับมิติที่สูงขึ้นได้ เบลตรามี (1868) เป็นคนแรกที่นำเรขาคณิตของรีมันน์ไปประยุกต์ใช้กับปริภูมิที่มีความโค้งเป็นลบ

ศัพท์เฉพาะ

เกาส์เป็นผู้บัญญัติศัพท์คำว่า "เรขาคณิตนอกยุคลิด" [ 15 ]เขาหมายถึงงานของเขาเอง ซึ่งในปัจจุบันเราเรียกว่าเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกหรือเรขาคณิตโลบาเชฟสกีนักเขียนสมัยใหม่หลายคนยังคงใช้คำว่าเรขาคณิตนอกยุคลิด ทั่วไป เพื่อหมายถึงเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิ[ 16 ]

อาร์เธอร์ เคย์ลีย์สังเกตว่าระยะห่างระหว่างจุดภายในภาคตัดกรวยสามารถกำหนดได้โดยใช้ลอการิทึมและ ฟังก์ชันอัตราส่วน ไขว้เชิงโปรเจกทีฟ วิธีนี้ได้รับการขนานนามว่าเมตริกเคย์ลีย์-ไคลน์เนื่องจากเฟลิกซ์ ไคลน์ใช้ประโยชน์จากมันเพื่ออธิบายเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดในบทความ[ 17 ]ในปี พ.ศ. 2414 และ พ.ศ. 2416 และต่อมาในรูปแบบหนังสือ เมตริกเคย์ลีย์-ไคลน์ได้ให้แบบจำลองการทำงานของเรขาคณิตเมตริกแบบไฮเปอร์โบลิกและวงรี รวมถึงเรขาคณิตแบบยุคลิดด้วย

ไคลน์เป็นผู้รับผิดชอบคำว่า "ไฮเปอร์โบลิก" และ "วงรี" (ในระบบของเขา เขาเรียกเรขาคณิตแบบยุคลิด ว่า พาราโบลิกซึ่งเป็นคำที่โดยทั่วไปเลิกใช้ไปแล้ว[ 18 ] ) อิทธิพลของเขานำไปสู่การใช้คำว่า "เรขาคณิตที่ไม่ใช่ยุคลิด" ในปัจจุบัน ซึ่งหมายถึงเรขาคณิตแบบ "ไฮเปอร์โบลิก" หรือ "วงรี"

มีนักคณิตศาสตร์บางคนที่ต้องการขยายรายการเรขาคณิตที่ควรเรียกว่า "ไม่ใช่แบบยุคลิด" ในรูปแบบต่างๆ[ 19 ]

มีเรขาคณิตหลายประเภทที่แตกต่างจากเรขาคณิตแบบยุคลิดอย่างมาก แต่ก็ไม่ได้รวมอยู่ในความหมายทั่วไปของ "เรขาคณิตนอกยุคลิด" เสมอไป เช่นเรขาคณิตแบบรีมันน์ใน กรณีทั่วไปบางกรณี

พื้นฐานสัจพจน์ของเรขาคณิตนอกยุคลิด

เรขาคณิตแบบยุคลิดสามารถอธิบายได้โดยใช้สัจพจน์หลายวิธี อย่างไรก็ตาม ระบบสัจพจน์ห้าข้อดั้งเดิมของยุคลิดไม่ใช่หนึ่งในนั้น เนื่องจากบทพิสูจน์ของเขาอาศัยสมมติฐานที่ไม่ได้ระบุไว้หลายประการซึ่งควรจะถือว่าเป็นสัจพจน์ด้วยระบบของฮิลเบิร์ตซึ่งประกอบด้วยสัจพจน์ 20 ข้อ[ 20 ]เป็นไปตามแนวทางของยุคลิดอย่างใกล้ชิดที่สุดและให้เหตุผลสำหรับบทพิสูจน์ทั้งหมดของยุคลิด ระบบอื่นๆ ที่ใช้ชุดคำที่ไม่นิยามที่ แตกต่างกัน จะได้เรขาคณิตเดียวกันโดยเส้นทางที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม ทุกแนวทางมีสัจพจน์ที่เทียบเท่าทางตรรกะกับสัจพจน์ข้อที่ห้าของยุคลิด คือสัจพจน์เส้นขนานฮิลเบิร์ตใช้รูปแบบสัจพจน์ของเพลย์แฟร์ ในขณะที่เบิร์คฮอฟฟ์ใช้สัจพจน์ที่กล่าวว่า "มีสามเหลี่ยมที่คล้ายกันแต่ไม่เท่ากันอยู่คู่หนึ่ง" ในระบบใดๆ เหล่านี้ การลบสัจพจน์หนึ่งข้อที่เทียบเท่ากับสัจพจน์เส้นขนาน ไม่ว่าจะอยู่ในรูปแบบใดก็ตาม และปล่อยให้สัจพจน์อื่นๆ ทั้งหมดคงอยู่ จะทำให้เกิดเรขาคณิตสัมบูรณ์เนื่องจากข้อเสนอ 28 ข้อแรกของยูคลิด (ในThe Elements ) ไม่จำเป็นต้องใช้สัจพจน์เส้นขนานหรือสิ่งใดๆ ที่เทียบเท่ากับมัน ดังนั้นข้อเสนอเหล่านั้นจึงเป็นข้อความที่ถูกต้องในเรขาคณิตสัมบูรณ์[ 21 ]

เพื่อให้ได้เรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดจะต้องแทนที่สัจพจน์เส้นขนาน (หรือสิ่งที่เทียบเท่า) ด้วยสัจพจน์ปฏิเสธ ของมัน การปฏิเสธสัจพจน์ของเพลย์แฟร์เนื่องจากเป็นประโยคประกอบ (...มีอยู่เพียงหนึ่งเดียวเท่านั้น...) สามารถทำได้สองวิธี คือ จะมีเส้นตรงมากกว่าหนึ่งเส้นที่ลากผ่านจุดนั้นขนานกับเส้นตรงที่กำหนด หรือจะไม่มีเส้นตรงใดที่ลากผ่านจุดนั้นขนานกับเส้นตรงที่กำหนดเลย

  • ในกรณีแรก การแทนที่สัจพจน์เส้นขนาน (หรือสัจพจน์ที่เทียบเท่า) ด้วยข้อความ "ในระนาบที่กำหนดจุด P และเส้นตรงl ที่ ไม่ผ่าน P จะมีเส้นตรงสองเส้นที่ผ่าน P ซึ่งไม่ตัดกับl " และคงสัจพจน์อื่นๆ ทั้งหมดไว้ จะได้เรขาคณิตไฮเปอร์โบลิ[ 22 ]
  • กรณีที่สองนั้นจัดการได้ยากกว่า การแทนที่สัจพจน์เส้นขนานด้วยข้อความว่า "ในระนาบที่กำหนดจุด P และเส้นตรงl ที่ ไม่ผ่านจุด P เส้นตรงทั้งหมดที่ผ่านจุด P จะตัดกับเส้นตรงl " นั้นไม่ได้ให้ชุดสัจพจน์ที่สอดคล้องกัน เนื่องจากเส้นขนานมีอยู่ในเรขาคณิตสัมบูรณ์[ 23 ]แต่ข้อความนี้บอกว่าไม่มีเส้นขนาน ปัญหานี้เป็นที่รู้จัก (ในรูปแบบที่แตกต่างกัน) โดย Khayyam, Saccheri และ Lambert และเป็นพื้นฐานสำหรับการปฏิเสธสิ่งที่เรียกว่า "กรณีมุมป้าน" เพื่อให้ได้ชุดสัจพจน์ที่สอดคล้องกันซึ่งรวมถึงสัจพจน์เกี่ยวกับการไม่มีเส้นขนาน สัจพจน์อื่นๆ บางส่วนจะต้องได้รับการปรับแต่ง การปรับเปลี่ยนเหล่านี้ขึ้นอยู่กับระบบสัจพจน์ที่ใช้ การปรับแต่งเหล่านี้มีผลทำให้สัจพจน์ข้อที่สองของยูคลิดเปลี่ยนจากข้อความที่ว่าส่วนของเส้นตรงสามารถขยายได้เรื่อยๆ ไปเป็นข้อความที่ว่าเส้นตรงไม่มีขอบเขตเรขาคณิตวงรีของรีมันน์ปรากฏขึ้นเป็นเรขาคณิตที่เป็นธรรมชาติที่สุดที่สอดคล้องกับสัจพจน์นี้

นางแบบ

การเปรียบเทียบเรขาคณิตวงรี เรขาคณิตยุคลิด และเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกในสองมิติ
บนทรงกลม ผลรวมของมุมภายในของรูปสามเหลี่ยมจะไม่เท่ากับ 180 องศา พื้นผิวของทรงกลมไม่ใช่ปริภูมิแบบยุคลิด แต่กฎของเรขาคณิตแบบยุคลิดในระดับท้องถิ่นนั้นใช้เป็นค่าประมาณที่ดีได้ ในรูปสามเหลี่ยมเล็กๆ บนพื้นผิวโลก ผลรวมของมุมภายในจะใกล้เคียงกับ 180 องศามาก

แบบจำลองเรขาคณิตนอกยุคลิดคือแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดในแง่ที่ว่า ไม่มีเส้นตรงเพียงเส้นเดียวที่สามารถลากขนานกับเส้นตรงl ที่กำหนด ให้ ผ่านจุดAที่ไม่ได้อยู่บน เส้นตรง lได้ ในทางตรงกันข้าม ในแบบจำลองเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก มี เส้น ตรงจำนวนอนันต์ที่ลากผ่าน จุด Aและขนานกับเส้นตรงlและในแบบจำลองเรขาคณิตวงรี ไม่มีเส้นตรงขนานกันอยู่ (ดูข้อมูลเพิ่มเติมได้ในหัวข้อเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกและเรขาคณิตวงรี )

เรขาคณิตแบบยุคลิดนั้นจำลองมาจากแนวคิดเรื่อง "ระนาบแบน"แบบจำลองที่ง่ายที่สุดสำหรับเรขาคณิตแบบวงรีคือทรงกลม โดยที่เส้นต่างๆ คือ " วงกลมใหญ่ " (เช่นเส้นศูนย์สูตรหรือเส้นเมริเดียนบนลูกโลก ) และจุดที่อยู่ตรงข้ามกันจะถูกระบุว่าเป็นจุดเดียวกัน ส่วนทรงกลมเสมือน นั้น มีความโค้ง ที่เหมาะสม สำหรับการจำลองเรขาคณิตแบบไฮเปอร์โบ ลิก

เรขาคณิตวงรี

แบบจำลองที่ง่ายที่สุดสำหรับเรขาคณิตเชิงวงรีคือทรงกลม โดยที่เส้นต่างๆ คือ " วงกลมใหญ่ " (เช่นเส้นศูนย์สูตรหรือเส้นเมริเดียนบนลูกโลก ) และจุดตรงข้ามกัน (เรียกว่าจุดตรงข้าม ) ถือว่าเหมือนกัน นี่เป็นหนึ่งในแบบจำลองมาตรฐานของระนาบเชิงฉายจริงเช่นกัน ความแตกต่างคือ ในฐานะแบบจำลองของเรขาคณิตเชิงวงรี มีการนำเมตริกมาใช้เพื่อให้สามารถวัดความยาวและมุมได้ ในขณะที่ในฐานะแบบจำลองของระนาบเชิงฉาย ไม่มีเมตริกดังกล่าว

ในแบบจำลองวงรี สำหรับเส้นตรงl ใดๆ และจุดA ใด ๆ ที่ไม่ได้อยู่บน เส้นตรง lเส้นตรงทั้งหมดที่ผ่านจุดAจะตัดกับเส้นตรงl

เรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก

แม้หลังจากผลงานของโลบาเชฟสกี เกาส์ และโบลยาอี คำถามก็ยังคงอยู่ว่า "มีแบบจำลองดังกล่าวสำหรับเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก หรือไม่ ?" แบบจำลองสำหรับเรขาคณิตไฮเปอร์ โบลิก ได้รับคำตอบโดยยูจีนิโอ เบลตรามีในปี 1868 ซึ่งเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นว่าพื้นผิวที่เรียกว่าทรงกลมเทียม (pseudosphere)มีความโค้ง ที่เหมาะสม ในการจำลองส่วนหนึ่งของปริภูมิไฮเปอร์โบลิกและในบทความฉบับที่สองในปีเดียวกันนั้น เขาได้กำหนดแบบจำลองไคลน์ (Klein model ) ซึ่งจำลองปริภูมิไฮเปอร์โบลิกทั้งหมด และใช้แบบจำลองนี้เพื่อแสดงให้เห็นว่าเรขาคณิตยุคลิดและเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกมีความสอดคล้องกันอย่าง เท่าเทียมกัน กล่าวคือ เรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกมีความสอดคล้องกัน ทางตรรกะ ก็ต่อเมื่อเรขาคณิตยุคลิดมีความสอดคล้องกันทางตรรกะเช่นกัน (ข้อสรุปย้อนกลับได้มาจาก แบบจำลอง ทรงกลมเทียมของเรขาคณิตยุคลิด)

ในแบบจำลองไฮเปอร์โบลิก ภายในระนาบสองมิติ สำหรับเส้นตรงl ใดๆ และจุดA ใดๆ ที่ไม่ได้อยู่บนเส้นตรงlจะมีเส้นตรงจำนวนอนันต์ที่ ลากผ่าน จุด Aและไม่ตัดกับเส้นตรงl

ในแบบจำลองเหล่านี้ แนวคิดของเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดจะถูกแทนด้วยวัตถุแบบยุคลิดในบริบทแบบยุคลิด ซึ่งก่อให้เกิดความบิดเบือนในการรับรู้ โดยที่เส้นตรงของเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดจะถูกแทนด้วยเส้นโค้งแบบยุคลิดที่โค้งงอ การ "โค้งงอ" นี้ไม่ใช่คุณสมบัติของเส้นที่ไม่ใช่แบบยุคลิด แต่เป็นเพียงกลวิธีในการแสดงผลเท่านั้น

เรขาคณิตสามมิติแบบไม่ยูคลิด

ในสามมิติ มีแบบจำลองเรขาคณิตแปดแบบ[ 24 ]ได้แก่ เรขาคณิตแบบยุคลิด วงรี และไฮเปอร์โบลิก เช่นเดียวกับในกรณีสองมิติ เรขาคณิตแบบผสมที่เป็นทั้งแบบยุคลิดและแบบไฮเปอร์โบลิกหรือทรงกลม เรขาคณิตแบบผสมที่มีการบิดเบี้ยว และเรขาคณิตที่ผิดปกติแบบหนึ่งซึ่งไม่สมมาตร โดยสมบูรณ์ (กล่าวคือ ทุกทิศทางมีพฤติกรรมแตกต่างกัน)

คุณสมบัติที่ไม่ธรรมดา

รูปสี่เหลี่ยมแลมเบิร์ตในเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก
รูปสี่เหลี่ยม Saccheri ในเรขาคณิตทั้งสามแบบ

เรขาคณิตแบบยุคลิดและเรขาคณิตแบบไม่ยุคลิดมีคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกันหลายอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณสมบัติที่ไม่ขึ้นอยู่กับลักษณะของเส้นขนาน ความเหมือนกันนี้เป็นหัวข้อของเรขาคณิตสัมบูรณ์ (หรือเรียกว่าเรขาคณิตที่เป็นกลาง ) อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติที่ทำให้เรขาคณิตแบบหนึ่งแตกต่างจากแบบอื่นนั้นได้รับความสนใจมากที่สุดในประวัติศาสตร์

นอกเหนือจากพฤติกรรมของเส้นตรงที่สัมพันธ์กับเส้นตั้งฉากร่วมที่กล่าวถึงในบทนำแล้ว เรายังมีสิ่งต่อไปนี้อีกด้วย:

  • รูปสี่เหลี่ยมแลมเบิร์ตคือรูปสี่เหลี่ยมที่มีมุมฉากสามมุม มุมที่สี่ของรูปสี่เหลี่ยมแลมเบิร์ตจะเป็นมุมแหลมถ้าเรขาคณิตเป็นแบบไฮเปอร์ โบลิก เป็นมุมฉากถ้าเรขาคณิตเป็นแบบยูคลิด หรือเป็นมุมป้านถ้าเรขาคณิตเป็นแบบวงรี ดังนั้นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า (ซึ่งเป็นข้อความที่เทียบเท่ากับสัจพจน์เส้นขนาน) จึงมีอยู่เฉพาะในเรขาคณิตแบบยูคลิดเท่านั้น
  • รูปสี่เหลี่ยมซัคเคอรี่ (Saccheri quadrilateral)คือรูปสี่เหลี่ยมที่มีด้านสองด้านยาวเท่ากัน และตั้งฉากกับด้านหนึ่งที่เรียกว่าด้านฐานมุมอีกสองมุมของรูปสี่เหลี่ยมซัคเคอรี่เรียกว่ามุมยอดและมีขนาดเท่ากัน มุมยอดของรูปสี่เหลี่ยมซัคเคอรี่จะเป็นมุมแหลมถ้าเรขาคณิตเป็นแบบไฮเปอร์โบลิก เป็นมุมฉากถ้าเรขาคณิตเป็นแบบยูคลิด และเป็นมุมป้านถ้าเรขาคณิตเป็นแบบวงรี
  • ผลรวมของขนาดมุมของสามเหลี่ยมใดๆ จะมีค่าน้อยกว่า 180° ถ้าเป็นเรขาคณิตแบบไฮเปอร์โบลิก มีค่าเท่ากับ 180° ถ้าเป็นเรขาคณิตแบบยูคลิด และมีค่ามากกว่า 180° ถ้าเป็นเรขาคณิตแบบวงรี ค่าความบกพร่องของสามเหลี่ยมคือค่าตัวเลข (180° − ผลรวมของขนาดมุมของสามเหลี่ยม) ผลลัพธ์นี้อาจกล่าวได้ว่า ค่าความบกพร่องของสามเหลี่ยมในเรขาคณิตแบบไฮเปอร์โบลิกมีค่าเป็นบวก ค่าความบกพร่องของสามเหลี่ยมในเรขาคณิตแบบยูคลิดมีค่าเป็นศูนย์ และค่าความบกพร่องของสามเหลี่ยมในเรขาคณิตแบบวงรีมีค่าเป็นลบ

ความสำคัญ

ก่อนที่เบลตรามี ไคลน์ และปวงกาเร จะนำเสนอแบบจำลองระนาบที่ไม่ใช่แบบยุคลิด เรขาคณิตแบบยุคลิดถือเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของพื้นที่ ที่ไม่มีใครโต้แย้งได้ ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากสาระสำคัญของวิชาเรขาคณิตสังเคราะห์คือการแสดงออกถึงเหตุผลเป็นหลัก มุมมองแบบยุคลิดจึงถือเป็นอำนาจเบ็ดเสร็จ

การค้นพบเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดได้ส่งผลกระทบเป็นวงกว้างซึ่งขยายออกไปไกลเกินขอบเขตของคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ การพิจารณาความรู้ของมนุษย์ของนักปรัชญาอิมมานูเอล คานต์มีบทบาทพิเศษสำหรับเรขาคณิต มันเป็นตัวอย่างหลักของความรู้เชิงสังเคราะห์ก่อนประสบการณ์ ซึ่งไม่ได้มาจากประสาทสัมผัสหรืออนุมานผ่านตรรกะ ความรู้เกี่ยวกับพื้นที่ของเราเป็นความจริงที่เราเกิดมาพร้อมกับมัน น่าเสียดายสำหรับคานต์ แนวคิดของเขาเกี่ยวกับเรขาคณิตที่ถูกต้องอย่างไม่เปลี่ยนแปลงนี้เป็นแบบยุคลิด เทววิทยาก็ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงจากความจริงสัมบูรณ์ไปสู่ความจริงสัมพัทธ์ในลักษณะที่คณิตศาสตร์เกี่ยวข้องกับโลกโดยรอบ ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์นี้[ 25 ]

เรขาคณิตนอกยุคยูคลิดเป็นตัวอย่างของการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ซึ่งนักคณิตศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์ได้เปลี่ยนมุมมองที่มีต่อวิชาของ ตน [ 26 ]นักเรขาคณิตบางคนเรียกโลบาเชฟสกีว่า " โคเปอร์นิคัสแห่งเรขาคณิต" เนื่องจากลักษณะการปฏิวัติของงานของเขา[ 27 ] [ 28 ]

การมีอยู่ของเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดส่งผลกระทบต่อชีวิตทางปัญญาของอังกฤษในยุควิกตอเรียในหลาย ๆ ด้าน[ 29 ]และโดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการพิจารณาการสอนเรขาคณิตใหม่โดยอิงจากElements ของยุคลิดประเด็นหลักสูตรนี้มีการถกเถียงกันอย่างดุเดือดในเวลานั้น และยังเป็นหัวข้อของหนังสือเรื่องEuclid and his Modern Rivalsซึ่งเขียนโดย Charles Lutwidge Dodgson (1832–1898) หรือที่รู้จักกันดีในนามLewis Carrollผู้เขียนAlice in Wonderland

พีชคณิตระนาบ

ในเรขาคณิตวิเคราะห์ระนาบจะถูกอธิบายด้วยพิกัดคาร์ทีเซียน :

บางครั้ง จุดเหล่านี้จะถูกระบุด้วยจำนวนเชิงซ้อนทั่วไปz = x + y εโดยที่ ε 2 ∈ { –1, 0, 1 }

ระนาบยุคลิดสอดคล้องกับกรณีε 2 = −1ซึ่งเป็นหน่วยจินตนาการเนื่องจากค่าสัมบูรณ์ของzกำหนดโดย

ปริมาณนี้คือค่ากำลังสองของระยะทางแบบยุคลิดระหว่างzกับจุดกำเนิด

ตัวอย่างเช่น{ z | zz * = 1}คือวงกลม หน่วย

สำหรับพีชคณิตระนาบ เรขาคณิตนอกยุคลิดเกิดขึ้นในกรณีอื่นๆ เมื่อε 2 = +1หน่วยไฮเปอร์โบลิกจากนั้นzเป็นจำนวนเชิงซ้อนแบบแยกส่วนและตามธรรมเนียมแล้วjจะแทนที่เอปซิลอน จากนั้น

และ{ z | zz * = 1}คือ ไฮเปอร์ โบ ลาหน่วย

เมื่อε 2 = 0แล้วzจะเป็นจำนวนคู่ [ 30 ]

แนวทางนี้สำหรับเรขาคณิตที่ไม่ใช่ยุคลิดอธิบายมุมที่ไม่ใช่ยุคลิด: พารามิเตอร์ของความชันในระนาบจำนวนคู่และมุมไฮเปอร์โบลิกในระนาบเชิงซ้อนแบบแยกส่วนสอดคล้องกับมุมในเรขาคณิตยุคลิด อันที่จริง พวกมันแต่ละตัวเกิดขึ้นจากการแยกส่วนเชิงขั้วของจำนวนเชิงซ้อนz [ 31 ]

เรขาคณิตจลนศาสตร์

เรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกพบการประยุกต์ใช้ในจลนศาสตร์ด้วยจักรวาลวิทยาเชิงฟิสิกส์ที่เฮอร์มันน์ มินคอฟสกี แนะนำ ในปี 1908 มินคอฟสกีแนะนำคำศัพท์เช่นเส้นโลกและเวลาที่เหมาะสมเข้าสู่ฟิสิกส์เชิง คณิตศาสตร์ เขาตระหนักว่าซับแมนิโฟลด์ของเหตุการณ์หนึ่งช่วงเวลาที่เหมาะสมในอนาคตสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นปริภูมิไฮเปอร์โบลิกสามมิติ[ 32 ] [ 33 ] ในช่วงทศวรรษ 1890 อเล็กซานเดอร์ แมคฟาร์เลนได้กำหนดแผนที่ซับแมนิโฟลด์นี้ผ่านพีชคณิตของฟิสิกส์และควอเทอร์เนียนไฮเปอร์โบลิก ของเขา แม้ว่าแมคฟาร์เลนจะไม่ได้ใช้ภาษาจักรวาลวิทยาเหมือนที่มินคอฟสกีใช้ในปี 1908 โครงสร้างที่เกี่ยวข้องในปัจจุบันเรียกว่าแบบจำลองไฮเปอร์โบโลอิดของเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก

พีชคณิตระนาบที่ไม่ใช่แบบยุคลิดรองรับเรขาคณิตจลนศาสตร์ในระนาบ ตัวอย่างเช่นจำนวนเชิงซ้อนแบบแยกส่วนz = e a jสามารถแทนเหตุการณ์ในปริภูมิเวลาในหนึ่งช่วงเวลาในอนาคตของกรอบอ้างอิงที่มีความเร็วa ได้ ยิ่งไปกว่านั้น การคูณด้วยzเทียบเท่ากับ การแปลง ลอเรนซ์แบบเร่ง ความเร็วซึ่งแมปกรอบที่มีความเร็วศูนย์ไปยังกรอบ ที่ มีความเร็วa

การศึกษาจลนศาสตร์ใช้ตัวเลขคู่ เพื่อแสดงคำอธิบายแบบคลาสสิกของการเคลื่อนที่ในเวลาและพื้นที่สัมบูรณ์ : สมการเหล่านี้เทียบเท่ากับการแมปเฉือนในพีชคณิตเชิงเส้น:

ด้วยตัวเลขคู่ การแมปคือ[ 34 ]

มุมมองอีกประการหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในฐานะเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดได้รับการเสนอโดยEB WilsonและGilbert LewisในProceedings of the American Academy of Arts and Sciencesในปี 1912 พวกเขาปรับปรุงเรขาคณิตเชิงวิเคราะห์ที่แฝงอยู่ในพีชคณิตจำนวนเชิงซ้อนแบบแยกส่วนให้เป็นเรขาคณิตสังเคราะห์ของข้อสมมติและการอนุมาน[ 35 ] [ 36 ]

นิยาย

เรขาคณิตนอกระบบยุคลิดมักปรากฏให้เห็นในงานวรรณกรรมแนว วิทยาศาสตร์และแฟนตาซี

  • ในปี ค.ศ. 1895 เอช.จี. เวลส์ได้ตีพิมพ์เรื่องสั้นชื่อ "กรณีอันน่าทึ่งของดวงตาของเดวิดสัน" เพื่อให้เข้าใจเรื่องนี้ได้ดียิ่งขึ้น จำเป็นต้องรู้ว่าจุดตรงข้ามบนทรงกลมนั้นถูกระบุอย่างไรในแบบจำลองระนาบวงรี ในเรื่อง ขณะที่ซิดนีย์ เดวิดสันกำลังทำงานอยู่ในห้องปฏิบัติการไฟฟ้าที่วิทยาลัยเทคนิคฮาร์โลว์ ท่ามกลางพายุฝนฟ้าคะนอง เขาเห็น "คลื่นและเรือใบที่เรียบร้อยอย่างน่าทึ่ง" เมื่อเรื่องจบลง เดวิดสันพิสูจน์ได้ว่าเขาเห็นเรือ HMS Fulmarนอกเกาะแอนติโพดส์
  • เรขาคณิตนอกยุคยูคลิดบางครั้งเชื่อมโยงกับอิทธิพลของนักเขียนนิยายสยองขวัญ ในศตวรรษที่ 20 อย่าง HP Lovecraftในผลงานของเขา สิ่งที่ไม่เป็นธรรมชาติหลายอย่างปฏิบัติตามกฎเรขาคณิตเฉพาะของตนเอง ในCthulhu Mythos ของ Lovecraft เมืองที่จมอยู่ใต้น้ำR'lyehมีลักษณะเฉพาะด้วยเรขาคณิตนอกยุคยูคลิด มีการบอกเป็นนัยอย่างชัดเจนว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นเป็นผลข้างเคียงจากการไม่ปฏิบัติตามกฎธรรมชาติของจักรวาลนี้ แทนที่จะใช้แบบจำลองเรขาคณิตอื่น เนื่องจากความผิดปกติโดยกำเนิดของมันกล่าวกันว่าสามารถทำให้ผู้ที่มองเห็นมันเสียสติได้[ 37 ]
  • ตัวละครเอกในหนังสือ Zen and the Art of Motorcycle MaintenanceของRobert Pirsigกล่าวถึงเรขาคณิตแบบรีมันน์หลายครั้ง
  • ในนวนิยายเรื่อง "พี่น้องคารามาซอฟ"ดอสโตเยฟสกีได้กล่าวถึงเรขาคณิตนอกยุคลิดผ่านตัวละครชื่ออีวาน
  • นวนิยายเรื่อง Inverted Worldของคริสโตเฟอร์ พรีสต์บรรยายถึงความยากลำบากในการดำรงชีวิตบนดาวเคราะห์ที่มีรูปร่างคล้ายทรงกลม หมุน ได้
  • นวนิยายเรื่อง The Number of the Beastของโรเบิร์ต ไฮน์ไลน์ใช้เรขาคณิตนอกยุคลิดเพื่ออธิบายการเคลื่อนย้ายอย่างฉับพลันผ่านห้วงเวลาและอวกาศ รวมถึงระหว่างจักรวาลคู่ขนานและจักรวาลสมมติ
  • HyperRogueของ Zeno Rogue เป็น เกม โร้กไลค์ที่ตั้งอยู่บนระนาบไฮเปอร์โบลิกทำให้ผู้เล่นได้สัมผัสกับคุณสมบัติมากมายของเรขาคณิตนี้ กลไก ภารกิจ และสถานที่ต่างๆ มากมายขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกอย่างมาก[ 38 ]
  • ในฉากนิยายวิทยาศาสตร์ เรื่อง Renegade Legion ของ เกม สงคราม เกมสวมบทบาทและนิยายของFASA การเดินทางและการสื่อสารที่เร็วกว่าแสงเป็นไปได้ด้วยการใช้เรขาคณิตหลายมิติแบบไม่เป็นยุคลิดของ Hsieh Ho ซึ่งตีพิมพ์ในช่วงกลางศตวรรษที่ 22
  • ในหนังสือ Flatterlandของเอียน สจ๊วตตัวเอกอย่างวิคตอเรีย ไลน์ ได้เดินทางไปยังโลกต่าง ๆ ที่ไม่ใช่แบบเรขาคณิตยุคลิด

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. ^ Eder, Michelle (2000), มุมมองของทฤษฎีบทเส้นขนานของยูคลิดในกรีกโบราณและในศาสนาอิสลามยุคกลาง , มหาวิทยาลัยรัตเกอร์ส, สืบค้นเมื่อ 23 มกราคม 2008
  2. ^ Boris A. Rosenfeld & Adolf P. Youschkevitch, "เรขาคณิต", หน้า 470, ใน Roshdi Rashed & Régis Morelon (1996),สารานุกรมประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์อาหรับ , เล่ม 2, หน้า 447–494, Routledge , ลอนดอนและนิวยอร์ก:

    นักวิทยาศาสตร์สามท่าน ได้แก่ อิบนุ อัล-ฮัยธัม, คัยยัม และอัล-ตูซี ได้สร้างคุณูปการอย่างมหาศาลให้กับสาขาเรขาคณิตนี้ ซึ่งความสำคัญของสาขานี้ได้รับการยอมรับอย่างสมบูรณ์ในศตวรรษที่สิบเก้าเท่านั้น โดยพื้นฐานแล้ว ข้อเสนอของพวกเขาเกี่ยวกับคุณสมบัติของรูปสี่เหลี่ยม—ซึ่งพวกเขาพิจารณาโดยสมมติว่ามุมบางมุมของรูปเหล่านี้เป็นมุมแหลมหรือมุมป้าน—ได้รวบรวมทฤษฎีบทแรกๆ ของเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิกและเรขาคณิตวงรีไว้ ข้อเสนออื่นๆ ของพวกเขายังแสดงให้เห็นว่าข้อความทางเรขาคณิตต่างๆ เทียบเท่ากับสัจพจน์ข้อที่ 5 ของเรขาคณิตยุคลิด สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือ นักวิชาการเหล่านี้ได้สร้างความเชื่อมโยงระหว่างสัจพจน์นี้กับผลรวมของมุมของรูปสามเหลี่ยมและรูปสี่เหลี่ยม งานของพวกเขาเกี่ยวกับทฤษฎีเส้นขนานทำให้นักคณิตศาสตร์ชาวอาหรับมีอิทธิพลโดยตรงต่อการวิจัยที่เกี่ยวข้องของนักคณิตศาสตร์ชาวยุโรป ความพยายามครั้งแรกของชาวยุโรปในการพิสูจน์สัจพจน์เกี่ยวกับเส้นขนานนั้น ทำโดยวิเทโลนักวิทยาศาสตร์ชาวโปแลนด์ในศตวรรษที่สิบสาม ขณะที่กำลังแก้ไขหนังสือของอิบนุ อัล-ฮัยธัมหนังสือว่าด้วยทัศนศาสตร์ ( Kitab al-Manazir ) นั้นได้รับแรงบันดาลใจจากแหล่งข้อมูลภาษาอาหรับอย่างไม่ต้องสงสัย บทพิสูจน์ที่นำเสนอในศตวรรษที่สิบสี่โดยนักวิชาการชาวยิวLevi ben Gersonซึ่งอาศัยอยู่ในทางตอนใต้ของฝรั่งเศส และโดย Alfonso จากสเปนที่กล่าวถึงข้างต้นนั้น สอดคล้องกับการพิสูจน์ของ Ibn al-Haytham โดยตรง ดังที่เราได้แสดงให้เห็นข้างต้นแล้วว่าคำอธิบายเกี่ยวกับยูคลิดของ Pseudo-Tusi ได้กระตุ้น การศึกษาทฤษฎีเส้นขนานของทั้ง J. Wallis และ G. Saccheri

  3. ^ Boris A. Rosenfeld & Adolf P. Youschkevitch (1996), "เรขาคณิต", หน้า 467, ใน Roshdi Rashed & Régis Morelon (1996),สารานุกรมประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์อาหรับ , เล่ม 2, หน้า 447–494, Routledge , ISBN 0-415-12411-5
  4. ^ a b Victor J. Katz (1998), ประวัติศาสตร์ของคณิตศาสตร์: บทนำ , หน้า 270–271, Addison–Wesley , ISBN 0-321-01618-1:

    "แต่ในต้นฉบับที่น่าจะเขียนโดยซาดร์ อัล-ดิน บุตรชายของเขาในปี ค.ศ. 1298 โดยอิงจากความคิดในภายหลังของนาซีร์ อัล-ดิน เกี่ยวกับเรื่องนี้ มีข้อโต้แย้งใหม่ที่ตั้งอยู่บนสมมติฐานอื่น ซึ่งเทียบเท่ากับของยูคลิดเช่นกัน [...] ความสำคัญของงานชิ้นหลังนี้คือได้รับการตีพิมพ์ในกรุงโรมในปี ค.ศ. 1594 และได้รับการศึกษาโดยนักเรขาคณิตชาวยุโรป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันกลายเป็นจุดเริ่มต้นของงานของซัคเครี และในที่สุดก็เป็นจุดเริ่มต้นของการค้นพบเรขาคณิตนอกระบบยูคลิด"

  5. ^ Boris A. Rosenfeld และ Adolf P. Youschkevitch (1996), "เรขาคณิต" ใน Roshdi Rashed, บรรณาธิการ,สารานุกรมประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์อาหรับ , เล่ม 2, หน้า 447–494 [469], Routledge , ลอนดอนและนิวยอร์ก:

    "ในหนังสืออธิบายเรขาคณิตของยูคลิดฉบับของซูโด-ทูซี [...] มีการใช้ข้อความอื่นแทนสัจพจน์ ข้อความนั้นเป็นอิสระจากสัจพจน์ข้อที่ 5 ของยูคลิดและพิสูจน์ได้ง่าย [...] โดยพื้นฐานแล้วเขาได้ปรับปรุงทั้งระบบสัจพจน์และสัจพจน์ของยูคลิด รวมถึงการพิสูจน์ข้อเสนอหลายข้อจากหนังสือElements "

  6. ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. , "Giovanni Girolamo Saccheri" , MacTutor History of Mathematics Archive , University of St Andrews
  7. ^โอคอนเนอร์, จอห์น เจ.; โรเบิร์ตสัน, เอ็ดมุนด์ เอฟ. , "โยฮันน์ ไฮน์ริช แลมเบิร์ต" , คลังเอกสารประวัติศาสตร์คณิตศาสตร์ MacTutor , มหาวิทยาลัยเซนต์แอนดรูว์ส
  8. ^ข้อยกเว้นที่น่าสนใจคือ เดวิด ฮูม ซึ่งตั้งแต่ปี 1739 ได้พิจารณาอย่างจริงจังถึงความเป็นไปได้ที่จักรวาลของเราอาจไม่ใช่แบบยุคลิด ดู David Hume (1739/1978) A Treatise of Human Nature , LA Selby-Bigge, ed. (Oxford: Oxford University Press), pp. 51–52
  9. ^ในจดหมายฉบับหนึ่งลงเดือนธันวาคม ค.ศ. 1818 เฟอร์ดินานด์ คาร์ล ชไวคาร์ท (1780–1859) ได้ร่างข้อคิดบางประการเกี่ยวกับเรขาคณิตนอกยุคลิด จดหมายฉบับนี้ถูกส่งต่อให้เกาส์ในปี ค.ศ. 1819 โดยเกอร์ลิง อดีตลูกศิษย์ของเกาส์ ในจดหมายตอบกลับเกอร์ลิง เกาส์ได้ยกย่องชไวคาร์ทและกล่าวถึงงานวิจัยก่อนหน้านี้ของตนเองเกี่ยวกับเรขาคณิตนอกยุคลิด ดูเพิ่มเติม:
    • Carl Friedrich Gauss, Werke (ไลพ์ซิก, เยอรมนี: BG Teubner, 1900), เล่ม. 8, หน้า 180–182.
    • คำแปลภาษาอังกฤษของจดหมายของชไวคาร์ทและคำตอบของเกาส์ต่อเกอร์ลิงปรากฏอยู่ใน: เอกสารประกอบการเรียน: "เกาส์และเรขาคณิตนอกยุคลิด" มหาวิทยาลัยวอเตอร์ลู ออนแทรีโอ แคนาดาเก็บถาวรเมื่อวันที่ 24 ตุลาคม 2016 ที่Wayback Machineโปรดดูโดยเฉพาะหน้า 10 และ 11
    • จดหมายโดย Schweikart และงานเขียนของหลานชายของเขาFranz Adolph Taurinusผู้สนใจเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดด้วย และในปี 1825 ได้ตีพิมพ์หนังสือสั้นเกี่ยวกับสัจพจน์คู่ขนาน ปรากฏใน: Paul Stäckel และ Friedrich Engel, Die theorie der Parallellinien von Euklid bis auf Gauss, eine Urkundensammlung der nichteuklidischen Geometrie (ทฤษฎีเส้นขนานจาก Euclid ถึง Gauss ซึ่งเป็นเอกสารสำคัญของเรขาคณิตที่ไม่ใช่ยุคลิด) (ไลพ์ซิก เยอรมนี: BG Teubner, 1895) หน้า 243 ff
  10. ทฤษฎีดีโอรี เดอร์ ปารัลเลลิเนียน, ไลพ์ซิก, 1807 [1]
  11. ^ Halsted GB, "A Class-Book of Non-Euclidean Geometry", Amer. Math. Monthly , 8 (4): 84– 87
  12. ^โบโนลา, อาร์. (1912), เรขาคณิตนอกยุคยูคลิด: การศึกษาเชิงวิพากษ์และประวัติศาสตร์เกี่ยวกับการพัฒนา , ชิคาโก: โอเพ่นคอร์ท
  13. ^ในจดหมายถึง Wolfgang (Farkas) Bolyai ลงวันที่ 6 มีนาคม ค.ศ. 1832 Gauss อ้างว่าได้ทำงานเกี่ยวกับปัญหานี้มาเป็นเวลาสามสิบหรือสามสิบห้าปี ( Faber 1983 , หน้า 162) ในจดหมายถึง Taurinus ลงวันที่ ค.ศ. 1824 ( Faber 1983 , หน้า 158) เขากล่าวอ้างว่าได้ทำงานเกี่ยวกับปัญหานี้มานานกว่า 30 ปี และให้รายละเอียดมากพอที่จะแสดงให้เห็นว่าเขาได้ทำงานอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว ตามที่ Faber (1983 , หน้า 156) กล่าวไว้ Gauss เพิ่งยอมรับการมีอยู่ของเรขาคณิตแบบใหม่เมื่อราวปี ค.ศ. 1813
  14. ^อย่างไรก็ตาม ต้องมีการเปลี่ยนแปลงสัจพจน์อื่นๆ นอกเหนือจากสัจพจน์เส้นขนาน เพื่อให้เรขาคณิตนี้สามารถนำไปใช้ได้จริง
  15. ^เฟลิกซ์ ไคลน์,คณิตศาสตร์เบื้องต้นจากมุมมองขั้นสูง: เรขาคณิต , โดเวอร์, 1948 (พิมพ์ซ้ำฉบับแปลภาษาอังกฤษของฉบับที่ 3 ปี 1940 ฉบับพิมพ์ครั้งแรกในภาษาเยอรมัน ปี 1908) หน้า 176
  16. ^ตัวอย่างเช่น: Kulczycki, Stefan (1961), Non-Euclidean Geometry , Pergamon, หน้า 53Iwasawa, Kenkichi (1993), ฟังก์ชันพีชคณิต , สมาคมคณิตศาสตร์อเมริกัน, หน้า 140, ISBN 978-0-8218-4595-0
  17. เอฟ. ไคลน์, Über die sogenannte nichteuklidische Geometrie, Mathematische Annalen , 4 (1871)
  18. ^ระนาบยุคลิดยังคงถูกเรียกว่าระนาบพาราโบลาในบริบทของเรขาคณิตเชิงคอนฟอร์มัล : ดูทฤษฎีบทการทำให้เป็นเอกรูป
  19. ^ตัวอย่างเช่น และ Yaglom 1968
  20. ^สัจพจน์ข้อที่ 21 ปรากฏในฉบับแปลภาษาฝรั่งเศสของหนังสือ Grundlagen der Geometrie ของฮิลเบิร์ต ตามที่ Smart ระบุไว้ในปี 1997หน้า 416
  21. ^ (สมาร์ท 1997 , หน้า 366)
  22. ^แม้ว่าจะมีการตั้งสมมติฐานไว้เพียงสองเส้น แต่ก็สามารถแสดงได้อย่างง่ายดายว่าจะต้องมีเส้นดังกล่าวเป็นจำนวนอนันต์
  23. ^บทที่ 1 ข้อเสนอที่ 27 ของตำรา Elements ของยูคลิด
  24. ^ * William Thurston .เรขาคณิตและโทโพโลยีสามมิติ เล่ม 1บรรณาธิการโดย Silvio Levy ชุดคณิตศาสตร์พรินซ์ตัน 35 สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน พรินซ์ตัน รัฐนิวเจอร์ซีย์ 1997 x+311 หน้า ISBN 0-691-08304-5(คำอธิบายเชิงลึกเกี่ยวกับรูปทรงเรขาคณิตทั้งแปดแบบ และข้อพิสูจน์ว่ามีเพียงแปดแบบเท่านั้น)
  25. อิมเร ทอธ, "Gott und Geometrie: Eine viktorianische Kontroverse" Evolutionstheorie und ihre Evolution , ดีเทอร์ เฮนริช, เอ็ด. (Schriftenreihe der Universität Regensburg, band 7, 1982) หน้า 141–204
  26. ดูทรูโด 2001 , หน้า vii–viii
  27. ^ เบลล์, อีที (1986), บุรุษแห่งคณิตศาสตร์ , ทัชสโตนบุ๊คส์, หน้า 294, ISBN 978-0-671-62818-5ผู้เขียนระบุว่าคำกล่าวนี้เป็นของนักคณิตศาสตร์อีกท่านหนึ่ง คือวิลเลียม คิงดอน คลิฟฟอร์
  28. ^นี่คือคำกล่าวจากคำนำของผู้แปล GB Halsted ในการแปลหนังสือ The Theory of Parallels ฉบับปี 1914 : "สิ่งที่เวซาลิอุสเป็นสำหรับกาเลนสิ่งที่โคเปอร์นิ คัส เป็นสำหรับปโตเลมี ก็คือ สิ่งที่โลบาเชฟ สกีเป็นสำหรับยูคลิด " — WK Clifford
  29. ^ (ริชาร์ดส์ 1988 )
  30. ^ Isaak Yaglom (1968)จำนวนเชิงซ้อนในเรขาคณิตแปลโดย E. Primrose จากต้นฉบับภาษารัสเซียปี 1963 ภาคผนวก "เรขาคณิตนอกยุคลิดในระนาบและจำนวนเชิงซ้อน" หน้า 195–219 สำนักพิมพ์ Academic Pressนิวยอร์ก
  31. ^ Richard C. Tolman (2004)ทฤษฎีสัมพัทธภาพของการเคลื่อนที่หน้า 194, §180 มุมนอกยุคลิด, §181 การตีความเชิงจลนศาสตร์ของมุมในแง่ของความเร็ว
  32. ^เฮอร์มันน์ มินคอฟสกี (1908–9). "อวกาศและเวลา" (วิกิซอร์ส)
  33. ^ Scott Walter (1999)รูปแบบที่ไม่ใช่แบบยุคลิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเก็บถาวรเมื่อ 2013-10-16 ที่ Wayback Machine
  34. ^ Isaak Yaglom (1979) เรขาคณิตแบบไม่ยุคลิดอย่างง่ายและพื้นฐานทางกายภาพ: บัญชีเบื้องต้นของเรขาคณิตแบบกาลิเลียนและหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลียน, Springer ISBN 0-387-90332-1
  35. ^ Edwin B. Wilson & Gilbert N. Lewis (1912) "The Space-time Manifold of Relativity. The Non-Euclidean Geometry of Mechanics and Electromagnetics" Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences 48:387–507
  36. ^ปริภูมิเวลาสังเคราะห์บทสรุปของสัจพจน์ที่ใช้และทฤษฎีบทที่พิสูจน์แล้ว โดยวิลสันและลูอิส จัดเก็บโดย WebCite
  37. ^ "เสียงเรียกของคธูลู"
  38. ^ "เว็บไซต์ HyperRogue"
  • โลโก้ Wikimedia Commonsสื่อที่เกี่ยวข้องกับเรขาคณิตนอกยุคลิดในวิกิมีเดียคอมมอนส์
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Non-Euclidean_geometry&oldid=1360647689 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ เรขาคณิตนอกยุคลิด

ในทางคณิตศาสตร์เรขาคณิตนอกยุคลิดประกอบด้วยเรขาคณิตสองแบบที่อิงตามสัจพจน์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับสัจพจน์ที่ระบุเรขาคณิตยุคลิดเนื่องจากเรขาคณิตยุคลิดอยู่ตรงจุดตัดของเรขาคณิตเมตริ...

หลักการ

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเรขาคณิตเมตริกคือลักษณะของเส้นขนาน สัจพจน์ ข้อที่ห้าของ ยูคลิด หรือ สัจพจน์เส้นขนาน เทียบเท่ากับ สัจพจน์ของเพลย์แฟร์ ซึ่งกล่าวว่า ภายในระนาบสองมิติ สำหรับเส้นตรง l ใดๆ และจุด A ใดๆ ที่ไม่ได้อยู่บน เส้นตรง l...

พื้นหลัง

เรขาคณิตแบบยุคลิด ซึ่งตั้งชื่อตาม ยูคลิด นักคณิตศาสตร์ชาวกรีก นั้น ครอบคลุมคณิตศาสตร์ที่เก่าแก่ที่สุดบางส่วน และเรขาคณิตที่เบี่ยงเบนไปจากเรขาคณิตแบบนี้จะไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นสิ่งที่ถูกต้อง จนกระทั่งศตวรรษที่ 19

การพัฒนาเรขาคณิตนอกยุคลิด

ต้นศตวรรษที่ 19 ในที่สุดก็ได้เห็นขั้นตอนสำคัญในการสร้างเรขาคณิตนอกยุคลิด ประมาณปี 1813 คาร์ล ฟรีดริช เกาส์ และโดยอิสระจากกันประมาณปี 1818 เฟอร์ดินานด์ คาร์ล ชไวคาร์ ท ศาสตราจารย์ด้านกฎหมายชาวเยอรมัน [ 9 ] ได้พัฒนาแนวคิดพื้นฐานของเรขาคณิตนอกยุคลิด...