粉红路

裤子上的几何

本文算是三种不同的度量后续。我不打算写严谨的数学,所以阅读时请务必小心。

我介绍的三种度量,最本质的区别是它们所处的空间有不同曲率。直观来说曲率就是弯曲的程度,应该很容易说服自己球和平面的弯曲程度不同吧。

曲率对空间的影响深入方方面面,比如它会影响到“角度”。

让我们仔细思考角度这件事。当我们说圆有三百六十度,我们到底在测量什么?实质上,我们用半径将圆切割成360份,这样每一份就有了两条相交的半径。我们把这样一份圆的两条半径的夹角叫做一度。

360这个数字是一个人为的选择。它天文学有点关系,但在数学上是非常不自然的。想想你的裤子,在档下两条裤管的交界处,画一个圆、等分成360份,拿出一片扇形来,你会发现这个扇形的角度比1度大。

后来引入的弧度在数学上更加自然:它以圆弧与半径的比例来描述角的大小,于是我们没有做任何额外的选择。使用弧度,我们将圆心处的周角(也就是转一圈的角度)定义为2pi。这意思是说,在一个半径为1的圆上,从一点出发,绕圆一周,要走2pi的长度才能回到原点。这话可能有点废话,但很重要。

(这里暗含的一个假设是:半径夹角越大,所对应的圆弧长度越长,而且两者呈正比。而这一假设成立的基础是空间具有旋转对称性,在欧式空间里这一点也是稀松平常的。)

但2pi只是平面上的周角。还是拿裤子举例,为了方便计算,我们引入一条真空中的球形裤:拿两片形状一样、一红一蓝的圆布片叠在一起,沿着一条半径剪开,再把两个布片沿着重叠的两条半径缝合,这样你就得到了一片布料。展开这片布料,你会发现,像裤子一样,这片布不能在桌子上平摊开,总会有皱褶。

首先让我们确认我们得到是一个“圆”。确实,从圆心处到布片外延任何一点,长度都是相等的。我们对圆布片的缝剪没有影响到这部分路径。

现在让我们使用弧度来测量圆心处的周角。从红布的一条半径出发,看看我们要在圆周上走多少路才能回到原点。因为我们缝上了两片圆布片,我们要走……4pi的路!

是的,我们的手工小课堂得到了一个显然不是欧式空间的空间。在圆心处,圆周角有4pi。

你可以用同样的精神得到更小的圆周角。比方说,拿一个半圆,将两条半径缝合在一起,这样一来圆心处的周角就只有pi。Lovely jubbly

现在让我们把这个思想实验(或者如果你真的拿着布,那就是实验)稍稍往前推一步。现在,拿出一片半径为1的半圆和一片半径为2的圆。把小的半圆沿半径缝合。现在,把这个新鲜出炉的小帽子放在大圆上,确保帽子尖的影子落在大圆的圆心上。

这时候,小圆的边界会和大圆上的某个同心圆完美重合,用铅笔画出这个圆。一点迅速的计算会告诉你,在大圆上,这个同心圆的半径是0.5。沿着这条圆剪掉大圆内部的布料,再把帽子尖和这个帽檐缝上,我们得到了一顶巫师帽!

看看我们的巫师帽关于弧度有何话说。(你应该首先确认我们接下来讨论的都是“圆”,as in,从圆心到圆周任意一点的长度相等。)一点基本的加减会告诉你,从帽子尖到帽檐的长度是2.5。

站在帽子尖处,一个半径为1的圆,圆周长度为pi,因为这个圆来自于我们的小小半圆。这个圆周提供的弧度是pi。

而一个半径为2.5的圆,其圆周来自于我们的大圆,也就是4pi。这个圆周提供的弧度是1.6pi。

于是,你得到了两个弧度。

什么?发生了什么??

我希望你能意识到巫师帽和我们前两个小手工的一处重要不同:“弧度”发生了变化。如果我们肯费点心思,给巫师帽多插几层,你可以想象这样一个空间:随着半径的增加,它的弧度也逐渐增加。

反过来,如果你在球面上测量圆周与半径的比率,随着半径增加,你得到的数字会从2pi减少到1。

我猜你意识到我们在走向哪里了:空间曲率会影响圆周和半径随着半径增大的比率变化。或者讲得更方便一点,如果把圆周长度写成半径r的函数,那么空间曲率会影响这个函数的增长速率。

在曲率为零的空间,这个函数是线性的。欧式空间的函数是2pi r、我们的前两个小手工给出的是4pi r 和 pi r。在曲率为正的空间,这个函数是亚线性的,而在负曲率空间里,这个函数甚至可以是指数。

不过比较两个长度有什么意思?为什么不比较长度和面积?如果考虑“圆”的面积随半径增长比率的函数,我们会得到更有意思的结果:显而易见,在欧式空间里,这个函数是平方。在标准的双曲空间里,这个函数是指数。某种意义上来说,双曲空间更大。

如果对这个话题有兴趣,几何群论里一类重要问题是Dehn function。略有相似的几何里一类重要问题叫做Isoperimetric Inequality

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