非欧几里得几何

非欧几里得几何，简称非欧几何，是多个几何形式系统的统称，与欧几里得几何的差别在于第五公设。

三种几何中垂直于同一线段的两条直线的图象
左：罗氏几何（双曲几何）
中：欧几里得几何
右：黎曼几何（椭圆几何）

几何原本第五公设

古希腊数学家欧几里得的《几何原本》提出了五条公设：

  1. 从一点向另一点可以引一条直线。
  2. 任意线段能无限延伸成一条直线。
  3. 给定任意线段，可以以其一个端点作为圆心，该线段作为半径作一个圆。
  4. 所有直角都相等。
  5. 如果一条线段与两条直线相交，在某一侧的内角和小于两直角和，那么这两条直线在不断延伸后，会在内角和小于两直角和的一侧相交。

长期以来，数学家们发现第五公设和前四个公设比较起来，显得文字叙述冗长，而且也不那么显而易见。有些数学家还注意到欧几里得在《几何原本》一书中直到第29个命题中才用到，而且以后再也没有使用。也就是说，在《几何原本》中可以不依靠第五公设而推出前28个命题。因此，一些数学家提出，第五公设能不能不作为公设，而作为定理？能不能依靠前四个公设来证明第五公设？这就是几何发展史上最著名的，争论了长达两千多年的关于“平行线理论”的讨论。由于证明第五公设的问题始终得不到解决，人们逐渐怀疑证明的路子走的对不对？第五公设到底能不能证明？

罗巴切夫斯基几何

1820年代，俄国喀山大学教授罗巴切夫斯基在证明第五公设的过程中，他走了另一条路子。他提出了一个和欧氏平行公设相矛盾的命题，用它来代替第五公设，然后与欧氏几何的前四个公设结合成一个公理系统，展开一系列的推理。他认为如果这个系统在基础的推理中出现矛盾，就等于证明了第五公设。此即数学中的反证法。但是，在他极为细致深入的推理过程中，得出了一个又一个在直觉上匪夷所思，但在逻辑上毫无矛盾的命题。最后，罗巴切夫斯基得出两个重要的结论：

  1. 第五公设不能被证明。
  2. 在新的公理体系中展开的一连串推理，得到了一系列在逻辑上无矛盾的新的定理，并形成了新的理论。这个理论像欧氏几何一样是完善的、严密的几何学。

这种几何学被称为罗巴切夫斯基几何，简称罗氏几何。这是第一个被提出的非欧几何学。从罗氏几何学中，可以得出一个极为重要的、具有普遍意义的结论：逻辑上不矛盾的一些公理都有可能提供一种几何学。

鲍耶氏和高斯的贡献

几乎在罗巴切夫斯基创立非欧几何学的同时，匈牙利数学家鲍耶·雅诺什也发现了第五公设不可证明和非欧几何学的存在。鲍耶在研究非欧几何学的过程中也遭到了家庭、社会的冷漠对待。他的父亲——数学家鲍耶·法尔卡什（英语：Farkas Bolyai）认为研究第五公设是耗费精力劳而无功的蠢事，劝他放弃这种研究。但鲍耶·雅诺什坚持为发展新的几何学而辛勤工作。终于在1832年，在他的父亲的一本著作里，以附录的形式发表了研究结果。

高斯也发现第五公设不能证明，并且研究了非欧几何。但是高斯害怕这种理论会遭到当时教会力量的打击和迫害，不敢公开发表自己的研究成果，只是在书信中向自己的朋友表示了自己的看法，也不敢站出来公开支持罗巴切夫斯基、鲍耶他们的新理论。

非欧几何分类

 
球面三角形

按几何特性（曲率），现存非欧几何的类型可以概括如下：

  • 坚持第五公设，引出欧几里得几何。
  • 以“可以引最少两条平行线”为新公设，引出罗氏几何（双曲几何）。
  • 以“一条平行线也不能引”为新公设，引出黎曼几何（椭圆几何）。

这三种几何学，都是常曲率空间中的几何学，分别对应曲率为0、负常数和正常数的情况。

如果完全去掉第五公设，就得到更加一般化的绝对几何（英语：Absolute geometry）。这种几何不仅可以囊括前面提到的三种几何，而且允许空间的不同位置有不同的曲率。黎曼几何是描述任意维数任意弯曲的绝对几何空间的一种微分解析几何学。

一般来讲，非欧几何有广义、狭义、通常意义三个不同含义：

  • 广义的非欧几何：泛指一切和欧几里得几何不同的几何学。
  • 狭义的非欧几何：只是指罗氏几何或黎曼几何。
  • 通常意义的非欧几何：指罗氏几何和黎曼几何二者。

参考资料