关于黎曼几何:过直线外一点没有一条直线能与该直线平行

关于黎曼几何:过直线外一点没有一条直线能与该直线平行
比如地球上的赤道,老师说过赤道外一点一条平行线都做不出来,作出来的所有直线必定和赤道相交.请问纬线不是和赤道垂直吗…还是黎曼几何中纬线不算“直线”?请问该怎么解释?
不好意思,我是物理专业的,最近被相对论搞晕了,老师只是带过而已,没有详细讲……请各位数学帝尽量用通俗的解释让我明白就行了~
522945327 1年前 已收到1个回答 举报

duoduo0 幼苗

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如果是在广义相对论中使用的黎曼几何, 其实应该是带有(伪)黎曼度量的流形上的几何学.
这个概念是非常宽泛的: 通常所说的欧式几何, 双曲几何都是其特例(曲率分别为0或负常数).
而球面几何是曲率为正常数的特例.
在黎曼几何中给定了黎曼度量, 就可以讨论"测地线", 大意是流形上连接两点的最短的曲线.
对欧式几何来说, 两点间直线段最短, 因此测地线就是直线.
对球面几何来说, 两点间的最短曲线是大圆的弧, 因此测地线是大圆(即所在平面过球心的圆).
所以在球面几何中, 纬线并不是"直线".
任意两个大圆都会相交于一对对径点, 因此不存在"平行线".
最后补充一点技术细节:
最早研究非欧几何是为了证明平行公理和其它公理的独立性.
人们建立满足其它公理而不满足平行公理的模型 (例如Poincare圆盘).
依据其中"平行公理"的形式分为双曲几何(至少有两条), 欧式几何(恰有一条)和椭圆几何(没有).
但球面几何其实不成立"两点决定一条直线", 所以球面几何其实并不是椭圆几何.
不过在进行某种技术处理之后可以使其成立, 但是有点抽象, 所以就不在这里写了.

1年前 追问

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522945327 举报

谢谢大神! 那么黎曼几何用地球作为模型严格来讲准不准确?黎曼几何中的测地线是指两点间的最长线还是最短线呀?黎曼几何研究的是负曲率空间吧?真的感觉好乱啊…… 还有请问关于黎曼几何的基础有什么好的教材推荐一下? 我印象中以前在量子力学中有涉及这方面的内容,但是实在难以理解,所以就没认真学…太后悔了…

举报 duoduo0

现在一般意义上的黎曼几何是非常宽泛的概念. 粗略的说, 黎曼几何就是在每个局部定义了距离的几何学, 球面几何当然是其特例. 所谓技术问题只是出现在要把球面几何作为椭圆几何模型的时候, 因为球面几何不止违反了平行公理, 但是这与其为黎曼几何没有关系. 按照个人粗浅的理解, 在广义相对论中之所以要使用(广义)黎曼几何, 就是为了刻画时空度量随物质分布的改变. 你们老师讲球面几何的例子, 大概是为了显示黎曼几何与欧式几何的不同, 并非要将其作为椭圆几何的模型来介绍. 黎曼几何中的测地线的每个"小段"都是连接两点的最短线. 这一点你可以参考欧式几何(其实也是黎曼几何的特例)中的直线. 当然直线不仅"小段"是最短的, 而且是其上任意两点间的最短线. 在球面几何中, 大圆的劣弧是最短线, 但是优弧不是, 所以要加上"小段"的限制. 稍微想像一下就可以知道, 一般情况下连接两点的最长线是不存在的. 黎曼几何对曲率没有限制. 像球面几何是常正曲率, 欧式几何是零曲率, Poincare圆盘是常负曲率. 此外还有各种曲率可变的空间, 可以既有正曲率的点又有负曲率的点. 如果是广义相对论课程的话, 应该会讲黎曼几何的基础吧. 数学教材当然有, 不过讲法有所不同, 而且需要先修微分几何, 微分流形等. 所以建议还是找广义相对论的教材来看.
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