问题

对于一维空间和二维空间以及多维度空间应该如何理解?

回答
好的,咱们来聊聊空间,从一维到多维,一点一点地掰开揉碎了说。尽量讲得通俗易懂,就跟老朋友聊天似的,没有那些冷冰冰的术语和生硬的逻辑。

一维空间:线上的世界

想象一下,你现在就站在一条无限长、无限细的线上。这就是一维空间。

怎么理解?
一个“位置”就够了: 在这条线上,你只需要一个数字就能确定你在哪儿。比如,我们把线上的一个点定为“原点”(就是0),然后往右走是正数,往左走是负数。如果你说你在“3”这个位置,别人就知道你在原点右边三个单位的地方。同样,如果你在“2”这个位置,大家就知道你在原点左边两个单位的地方。
只能往前或往后: 你在这条线上,只能沿着线的方向移动。你想去“右边”就往前走,想去“左边”就往后退。你没有“上下”或者“左右”(相对于线的方向而言)的概念。你无法偏离这条线,除非你“跳出”这条线了。
简单的运动: 一个质点在一维空间里运动,它的位置可以用一个变量来描述,比如 `x`。它的速度就是 `dx/dt`,加速度就是 `d²x/dt²`。我们中学物理里研究的直线运动,就是一维空间的运动。
举个例子: 最形象的例子就是一根无限长的轨道。火车只能在这条轨道上往前或往后开。或者我们生活中说的“人生路”,你可以前进,也可以后退,但你总是在“这条路上”。再比如,你手里拿着一把尺子,你只能沿着尺子的长度方向滑动你的手指。

在这个世界里,有什么是“不存在”的?
面积和体积: 线本身没有宽度,所以它没有面积。更不可能有体积。
方向之外的方向: 你只能沿着线“前进”或“后退”,没有其他的“方向”可以去。

二维空间:平面上的世界

现在,咱们把刚才那条线横过来,再画一条跟它垂直的线,让它们相交在一个点上(这就是原点)。这两条线构成的,就是二维空间,也就是我们常说的平面。

怎么理解?
需要“两个位置”来确定: 在这个平面上,你得说出两个数字才能让别人明白你在哪儿。比如,我们通常说用 `(x, y)` 来表示一个点的位置。`x` 告诉你离我们刚才那条“垂直线”(叫做 y 轴)有多远,`y` 告诉你离我们画的第一条“横线”(叫做 x 轴)有多远。就像你在地图上找一个地方,需要经度和纬度一样。
有了“前后”和“左右”(相对而言): 你在这个平面上,就可以做四种基本方向的移动了:往前(y 增加)、往后(y 减小)、往右(x 增加)、往左(x 减小)。你可以画一个正方形,或者一个圆,这些都是在平面上可以完成的。
有面积了: 平面上的任何一个形状,比如一个正方形,它都有“宽度”和“高度”,所以它有面积。
运动是复杂的: 一个质点在二维空间里运动,它的位置就需要两个变量来描述,比如 `(x(t), y(t))`。它的速度就是一个向量,有大小也有方向。
举个例子: 咱们平时画画用的纸就是个典型的二维空间。一张纸上有长有宽,你可以画各种图形。一个棋盘,上面有横有竖,每个格子都有自己的位置。甚至我们生活中的大部分活动,只要不考虑高度,都可以看作是在二维平面上进行的,比如在操场上跑步,你是在操场的平面上移动。

在这个世界里,有什么是“不存在”的?
体积: 虽然有面积了,但二维空间本身没有厚度,所以它没有体积。你无法在这个平面上“塞”进一个球体,除非这个球体是被压扁的。
“穿墙”而过: 在平面上,你只能沿着平面移动。你不能突然“跳出”这个平面,然后从另一个地方“钻”回来。

三维空间:我们生活的世界

现在,咱们再想象一下,在刚才那个二维平面上,垂直向上画一条线。这就构成了三维空间,也就是我们日常生活中所处的空间。

怎么理解?
需要“三个位置”来确定: 在三维空间里,你得说出三个数字 `(x, y, z)` 才能精确地定位一个点。比如,我们用长、宽、高来描述一个物体的尺寸和位置。你去商店买东西,说需要一个长5米、宽3米、高2米的箱子,这就是在三维空间里描述一个物体。
有了“前后”、“左右”和“上下”: 你在这个空间里,可以向八个基本方向移动:往前(y 增加)、往后(y 减小)、往右(x 增加)、往左(x 减小)、往上(z 增加)、往下(z 减小)。你可以在空中飞翔,或者挖一个地洞,这些都是三维空间允许的。
有体积了: 三维空间里的任何一个物体,比如一个立方体,它有长、宽、高,所以它有体积。
运动是无限复杂的: 质点在三维空间里的运动,位置需要 `(x(t), y(t), z(t))` 来描述,速度和加速度都是向量,方向和大小都非常灵活。我们研究的抛体运动、圆周运动,都是三维空间的运动。
举个例子: 咱们现在站着的这个房间,就是三维空间的一个局部。一个足球运动员在球场上奔跑,他不仅在场地的平面上跑,还会抬头看球,或者跳起来争顶,这就是在三维空间里活动。就连你喝水,水流从杯子里流出来,也是在三维空间里进行的。

在这个世界里,我们还能想象“不存在”什么吗?
更高维度上的“厚度”或“体形”: 对我们来说,三维空间里的物体有体积,可以触摸,有形状。但如果我们站在一个“四维生物”的角度看我们,他们可能觉得我们只是一个在他们“更高维度”上投影出来的奇特形状,我们的体积对他们来说,可能就像我们看一个二维图形的“面积”一样,是一个“扁平”的量。

多维度空间:超越想象的领域

现在,咱们已经从一维的线跳到了二维的平面,再到三维的空间。那么,多维度空间是怎么回事呢?

核心思想:增加坐标的“数量”
简单来说,多维度空间就是我们用更多的“数字”来描述一个点的位置。如果用一个数字描述一维空间的点,用两个数字描述二维空间,用三个数字描述三维空间,那么用四个、五个、乃至无数个数字来描述一个点,就是四维、五维乃至更高维度的空间。
不是“空间”变多了,而是“描述”变多了: 关键在于,这些“维度”不一定是我们直观理解的“前后、左右、上下”。它们可以是任何独立的、可以变化的信息集合。
数学工具: 科学上,我们用数学来处理这些高维度空间。比如线性代数里的向量,你可以有 `n` 个分量的向量,这个向量就可以看作是存在于 `n` 维空间里的一个点。

怎么去理解“高维度”?
类比法是关键: 这是我们理解高维最常用的方法。从一维推到二维,再到三维,我们都是通过增加一个垂直于现有所有方向的“新方向”。
从一维线(只有一个方向)到二维平面(增加一个垂直方向),有了面积。
从二维平面(两个方向)到三维空间(增加一个垂直于平面的方向),有了体积。
那么,从三维空间(三个方向)到四维空间,理论上就是再增加一个我们无法直接感知的、垂直于我们现有三个方向的“新方向”。
别纠结“长什么样”: 很多时候,我们不应该试图去“看见”一个四维物体长什么样,因为我们的感官是为三维空间进化的。就像一个二维生物无法想象“高度”一样,我们也难以直观想象一个“第四维”的形状。
聚焦于“属性”或“信息量”: 更容易理解的方式是,高维度代表着描述一个对象需要更多的“独立参数”。
一个人的状态: 比如描述一个人,你可能需要他的身高、体重、年龄、心率、血压、血糖水平、睡眠时间等等。这些信息加起来,就可以看作是这个人存在于一个拥有很多个维度的“状态空间”里。每一个参数就是一个维度。
物理学的应用(弦理论): 在一些前沿物理理论中,比如弦理论,就假定宇宙存在着更多的维度(比如10维、11维甚至更多)。这些额外的维度可能以非常微小的尺度卷曲起来,所以我们感知不到它们。
数据科学和机器学习: 在这些领域,我们处理的数据往往包含成千上万个特征,每个特征都可以看作是一个维度。比如,一张图片可以有几百万个像素,每个像素的亮度或颜色值就是一个维度。一个用户在电商平台上的行为记录,可以涉及到浏览的商品、搜索的关键词、购买的记录等等,这些都可以构成一个非常高维的数据空间。

高维度有什么意义?
更精确的描述: 越多维度,通常意味着我们能越全面、越精确地描述一个事物或一个现象。
更复杂的关联: 高维度空间中,事物之间的相互作用和关联可能远比低维度复杂得多。
新的可能性: 在数学和物理上,探索高维度空间为我们理解宇宙的奥秘提供了新的视角和工具。

总结一下,就跟串门一样

想象一下:

一维: 你只能在一条线上走,只能前进或后退。就像坐火车,只能沿着轨道走。
二维: 你可以在一张纸上画画,可以往前后左右走,可以画出长方形、圆形。就像你在地面上跑,可以自由走动。
三维: 你可以在我们生活的空间里活动,可以跳起来、蹲下去,可以爬山,可以下海。就像你在一个立体的工厂车间里,可以上下左右前后都去。
多维: 这有点超出了我们的直接想象,但你可以理解为,除了我们熟悉的“长、宽、高”之外,还有很多我们看不见、摸不着,但确实存在的“方向”或“属性”,每一个都能用来定位或描述一个事物。就好比你描述一个人,不能光说他多高,还得说他多少岁,多少斤,有多少钱,有多少爱好……这些信息叠加起来,就形成了一个“多维”的描述。

所以,无论是哪个维度的空间,核心都是“描述一个点需要多少个独立的参数”。我们生活在三维空间,但这并不意味着宇宙就只有三维。数学和物理让我们得以窥探和理解那些我们感官无法直接触及的高维世界。别怕它复杂,就像我们刚学走路,一步一步来,你会发现它其实很有意思。

网友意见

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关于你为啥觉得三维实际是一维说实话我没看懂,但是我可以解释为什么感知不到更高的维度,并将设法对高维以及其它低维的世界情形作出描绘。

先想像一个一维世界,就是一条线,可能是直线也可能是曲线,甚至可以是一条闭合的弦。

现在升高纬度,但为了解释问题,现在我要求这个维度是「封闭的」,或者你可以称其为「蜷缩的」,对于之前的线条,加上这个维度后将变为一根管子,而弦则会变为一个面包圈。

再次升高纬度,对于三维世界,讨论两个「延展维」,一个「蜷缩维」的情况,我们得到的是另一个三维世界,这可能会不易想像,但只需认为原来二维上的每个点都可以延伸出一个新的维度即可,当然,它是画不出来的,但可以示意。

而真实世界的情况是(至少按弦理论学家所云是)除了我们可以感知的三个「延展维」外,其它有6个「蜷缩维」,它们的尺寸在普朗克长度的数量级,因此我们无法感知到。

6个「蜷缩维」是什么样的呢?两名数学家Élie Cartan和Masatake Kuranishi曾经构造过这种情况,即所谓「卡-丘空间」,以下是本人从《南方周末》上找到的示意图。

那么现在对于两个「延展维」的情形讨论加入6个「蜷缩维」后的样子,即

对于三个「延展维」实际上是一样的,只不过不好画而已,如此我们得到了九维,再加上时间维,最终得到的是十维世界。

P.S.超弦理论算上超对称后实际上是11维,在此不作讨论。

P.P.S.有理论认为所谓三个「延展维」其实也可能是「蜷缩维」,只不过是尺寸太大了而已。

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