計程車幾何學 乙個全新的幾何世界

2021-08-26 06:16:35 字數 2115 閱讀 8505

在城市中,我們估算兩點之間的距離時,往往不會直接去測量兩點之間的直線距離,而會去考慮它們相距多少個街區。在理想模型中,假設每條道路都是水平或者豎直的,那麼只要你朝著目標走(不故意繞遠路),不管你怎樣走,花費的路程都是一樣的。今天,我看到了乙個非常有意思的名詞——計程車幾何學 (taxicab geometry) ,其名稱就**於這樣的想法。

在計程車幾何學中,點還是形如 (x, y) 的有序實數對,直線還是滿足 a x + b y + c = 0 的所有 (x, y) 組成的圖形,角度大小的定義也和原來一樣。只是,(x1, y1) 和 (x2, y2) 的距離重新定義為了 |x1- x2| + |y1- y2| (#add曼哈頓距離),即兩點的橫座標之差加上縱座標之差。

這是乙個對「距離」的合理定義,因為它滿足

也就是說計程車幾何學是建立在乙個合理的度量空間上的。這是乙個全新的幾何世界。

在這個世界裡,很多經典幾何定理仍然成立。比方說,三角形的內角和還是 180 度。因為,這是乙個關於角度的定理,與距離的度量方式無關;既然角度的度量方式不變,三角形的內角和也仍然不會變。

不過,一旦涉及到三角形的邊長,很多基本命題就不再成立了。等邊對等角是首先被否定掉的定理,底角不相等的等腰三角形滿地都是。例如上圖中的三角形 abc ,雖然 ab = ac ,但三角形的兩個底角顯然不等。類似地,等角對等邊也不成立了,例如右圖中雖然角 e 和角 f 相等,但 de = 5 , df = 7 。 更不可思議的是,在計程車幾何中,甚至能畫出等邊直角三角形來!

在這個幾何世界中,邊邊邊不能用來判斷三角形全等了。我們可以畫出兩個三角形 abc 和 a'b'c' ,它們的對應邊都相等,但這兩個三角形並不能重合在一起。邊角邊也不能作為全等三角形的判定依據了——三角形 def 和 d'e'f' 都是直角邊均為 2 的直角三角形,不過它們明顯不全等。

真正有趣的不是計程車幾何學世界中的三角形,而是這個世界中的圓。我們仍然定義圓是所有到定點距離為定值的點組成的圖形。那麼在這個幾何世界裡,圓是什麼樣的?下圖給出了這個幾何世界中乙個半徑為 2 的圓,圓周上的所有點到 o 的距離均為 2 :

驚奇的不止這一點。圓的方程似乎更簡單了,以原點為圓心的單位圓對應的方程是 |x| + |y| = 1 。更神奇的是,這個幾何世界的圓周率值也不一樣了,它精確地等於 4 !

重新定義距離後,很多圖形會變得更加複雜。定義兩點間的垂直平分線為到兩點距離相等的點組成的圖形。在這個幾何世界裡,垂直平分線是什麼樣的?在一般情況下,垂直平分線並不是「垂直」平分線,而是一條折線段。

但儘管垂直平分線如此奇怪,不過(一般情況下)三角形三邊的垂直平分線仍然交於一點。這是因為,「三角形三邊的垂直平分線交於一點」的證明過程只與垂直平分線的定義有關,而與垂直平分線的具體形式是無關的。即使證明過程用到了距離的定義,用到的也是新舊兩種定義共有的一些基本性質。更有趣的是,這個點也是名副其實的「外心」,以它為中心可以作出這個三角形的外接圓來!也就是說,在計程車幾何裡,一般位置上的三個點也唯一地確定了乙個圓。

不過,也有一些特殊的情況,三點不能確定乙個圓。比方說,同時過 (0, 1) 、 (0, -1) 、 (1, 0) 的圓就有無窮多個。這是因為,(0, 1) 和 (1, 0) 的垂直平分線,以及(0, -1) 和 (1, 0) 的垂直平分線都不是「線」,有整塊區域的點都滿足到兩端點的距離相等。因此這幾條「垂直平分線」的交集不止乙個點。

還有哪些歐氏幾何的經典結論在計程車幾何學中同樣成立?計程車幾何學中有什麼漂亮而獨特的結論?如何定義一些更加複雜的幾何物件?它們在計程車幾何學中又是什麼樣?大家不妨繼續往下思考一下。

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