问题

如果换一种几何,圆周率的值会变么?

回答
这是一个非常深刻且引人入胜的问题!答案是:是的,如果换一种几何,圆周率的值很可能会变,而且变化的程度可能非常显著。

为了详细解释这一点,我们需要先理解“圆周率”(π)到底是什么,以及它与几何学的关系。

什么是圆周率(π)?

我们通常定义的圆周率 π 是一个几何常数,它代表了在一个欧几里得(平面)几何中,任意一个圆的周长与其直径之比。

$$ pi = frac{ ext{圆的周长}}{ ext{圆的直径}} $$

这个比值在任何大小的圆上都是恒定的,无论圆有多大或多小,无论你测量的精度有多高,这个比例总是相同的。这就是我们熟悉和爱用的 π ≈ 3.1415926535...

π 的这个不变性是基于欧几里得几何的公理系统,特别是关于直线、角度和空间关系的那些基本假设。

“换一种几何”意味着什么?

当我说“换一种几何”,我指的是我们离开了欧几里得几何,进入了非欧几里得几何(也称为弯曲几何)。在非欧几里得几何中,我们可能会修改或否定欧几里得几何的某些基本公理。

最著名的非欧几里得几何是:

1. 黎曼几何(Riemannian geometry):允许空间在全局或局部上是弯曲的。
2. 双曲几何(Hyperbolic geometry):这是黎曼几何的一个特例,描述的是一种“负曲率”的空间,类似于一个马鞍的表面。
3. 椭圆几何(Elliptic geometry):这是黎曼几何的另一个特例,描述的是一种“正曲率”的空间,类似于一个球体的表面。

在非欧几里得几何中圆周率的值会变吗?

是的,几乎肯定会变。

让我们分别看一下在双曲几何和椭圆几何中会发生什么。

1. 在双曲几何中的圆周率

双曲几何最容易理解的例子是一个球体的表面(但要注意,球体的表面是椭圆几何,这里我们暂时类比,后面会详细说明)。或者更准确地说,想象一个马鞍面(双曲抛物面)或者一个罗氏几何模型(Poincaré disk model)。

在双曲几何中,我们仍然可以定义“圆”,但它的性质与欧几里得几何中的圆有所不同。假设我们在这个双曲空间中定义一个“圆”为:

圆心:是空间中的一个特定点。
圆周:是所有与圆心距离相等的点的集合。这里的“距离”是根据双曲几何的度量来计算的。

关键在于,在双曲几何中,两条平行线最终会分开(而不是像欧几里得几何那样永远保持相同的距离)。 这种“扩张”效应会影响到圆的周长和直径的比例。

结论:在双曲几何中,一个圆的周长与其直径的比值会大于 π。

原因解释: 想象你在双曲空间中画一个圆。随着圆的半径增加,圆周会比在欧几里得平面上“扩张得更快”。你可以这样理解:在双曲空间中,你可以用很多“短的”直线段来近似圆周。由于空间本身的弯曲,这些直线段在“外侧”会比在“内侧”有更大的角度。当您将这些直线段连接起来形成一个圆周时,它的总长度(周长)会比在欧几里得空间中相同“直径”的圆要长。

举例来说,如果我们用一个非常小的、局部看起来是平面的区域来测量,我们得到的值会接近 π。但当我们画一个越来越大的圆时,空间的“负曲率”效应就显现出来了。为了保持“距离相等”的定义,圆周的长度会比欧几里得空间中的圆周长得多。

更数学化的说法是,在双曲空间中,给定一个半径为 $r$ 的圆,它的周长 $C$ 和直径 $d$(即两倍的半径,或者更准确地说是过圆心并与圆周相交的最短线段的长度)满足关系:
$$ C = k cdot sinh(r) quad ext{(其中 } k ext{ 是一个常数,取决于具体的双曲模型)} $$
而在欧几里得几何中,$C = 2pi r$。由于 $sinh(r)$ 的增长速度比 $r$ 快,因此在双曲几何中,$C/d$ 的值会随着半径的增大而增大,且总会大于欧几里得几何中的 π。

2. 在椭圆几何(球面几何)中的圆周率

椭圆几何最经典的例子就是三维球体的表面。在球体表面上,我们无法画出在任何方向上都不相交的两条“直线”(在球面上称为测地线,也就是大圆的弧段)。所有测地线最终都会相交于“对径点”(北极和南极)。

在球体表面定义一个“圆”:

圆心:是球体表面上的一个点(比如北极)。
圆周:是所有与圆心距离相等的点的集合。这里的距离也是沿着球体表面的最短路径(即大圆弧段)。

结论:在椭圆几何(球面几何)中,一个圆的周长与其直径的比值会小于 π。

原因解释: 想象你在地球表面画一个圆。当你在北极点一个圆时,随着半径的增加,圆周的“曲率”与欧几里得平面不同。在球面上,直线会汇聚。如果你从北极出发,向东走一段距离构成圆周,那么这个圆周的“内侧”会比欧几里得平面上的圆周更“向内收缩”。

用一个简单的例子:想象一个球体。赤道是一个大圆,它的周长与其“直径”(例如从北极到南极,再回到北极的测地线长度的两倍,或者更直观地理解为围绕球心的直线距离的两倍)有一个固定的关系。但如果我们考虑一个非常小的圆(比如北极附近的微小区域),它在局部看起来几乎是平的,它的周长与直径的比值仍然接近 π。

然而,一旦我们画一个更大的圆,比如一个纬度圈,并且我们想要定义它的“直径”,问题就来了。如果我们以“从圆心到圆周的最短大圆弧段长度”作为半径 $r$,那么这个圆的周长 $C$ 和这个半径的关系是什么呢?
在一个半径为 $R$ 的球面上,一个半径为 $r$ 的圆周的长度是:
$$ C = 2pi R sinleft(frac{r}{R} ight) $$
这里的 $r$ 是球心到圆周的测地线距离。如果我们把“直径”定义为 $d = 2r$,那么周长与直径的比值是:
$$ frac{C}{d} = frac{2pi R sin(r/R)}{2r} = pi frac{sin(r/R)}{r/R} $$
我们知道,当 $x$ 趋近于 0 时,$sin(x)/x$ 趋近于 1。所以当圆非常小时 ($r o 0$),这个比值趋近于 π。
但是,当 $r$ 变大时,$sin(r/R) / (r/R)$ 的值会小于 1。例如,当 $r = pi R / 2$ 时(即圆周是赤道),周长是 $2pi R$,而直径(测地线距离)是 $pi R / 2$,比值是 4,这似乎又有点奇怪了。

更标准的理解是: 在球面上,我们仍然可以测量圆的周长和“通过圆心的最长直线穿过球体表面两点的距离”作为直径。在这种定义下,球面几何中的圆周率值会小于欧几里得 π。关键在于球体表面的“内禀弯曲”使得相同“直径”的圆周显得更短。

想想看:如果你在球体上画一个圆,并保持圆心和圆周上的点到圆心的距离相同。随着圆的大小增加,这个圆周最终会“挤压”在一起,因为它必须在弯曲的表面上收敛。这导致周长相对于直径的比例会变小。

3. 欧几里得几何与圆周率

在欧几里得几何中,我们所有关于角度、平行线和距离的定义都基于一套公理,这些公理确保了空间是“平坦的”。在平坦的空间中,我们使用勾股定理来计算距离,并基于此推导出圆的周长公式 $C=2pi r$。这个公式的正确性直接依赖于欧几里得公理,特别是平行公理(或等价公理)。如果否定了平行公理,我们就会进入非欧几里得几何。

圆周率的本质与几何背景

圆周率 π 本身是一个数学常数,它的值是由数学定义的。但是,我们赋予它“周长与直径之比”这个几何意义,这个意义是与我们所处的几何空间紧密联系的。

欧几里得几何:π ≈ 3.14159... (恒定)
双曲几何:π 的值会随着半径的增大而增大,总会大于欧几里得 π。
椭圆几何(球面几何):π 的值会随着半径的增大而减小,总会小于欧几里得 π。

更进一步思考:

谁在定义“圆”和“直径”? 在不同的几何体系中,这些概念的定义可能需要调整以保持一致性。例如,在弯曲空间中,“直线”不再是欧几里得意义上的直线,而是测地线。圆的定义通常是围绕一个中心点的等距点集,但“距离”的测量方式不同。
什么是“长度”? 长度的测量方式也取决于几何的度量张量。
π 的普适性: 虽然 π 的几何解释在不同几何中会改变,但 π 本身作为一个数学常数(例如作为一些级数或积分的精确值)在数学的许多分支中仍然是普适的。只是它在几何上的具体表现形式与空间的曲率相关联。

总结来说,圆周率 π 的数值 3.14159... 是特定于欧几里得几何的。当我们改变几何的“规则”(即切换到非欧几里得几何),空间本身的“弯曲”特性就会改变周长和直径之间的关系,从而导致圆周率在这个新几何体系下的“等价”值发生变化。

这就是为什么这个问题如此迷人:它揭示了数学概念(如 π)与其所描述的现实世界或抽象空间之间的深刻联系。

网友意见

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谢邀。

就讨论最简单的情况吧,比如说球面上的几何。

首先,我们要回答两个很基本的问题:


  • 球面上的A、B两点间的距离如何定义?

答:过A、B的大圆劣弧。


  • 球面上的圆怎么定义?

答:球面上,到定点等于定长的点的集合。

PS:其实还是圆。只是这个时候,定点——球面上的一点、定长——球面大圆上的弧长。


有了上面的铺垫,就可以考虑球面上的“圆周率”的问题了。

如图,A、B在球面同一个大圆上,劣弧AB是球面圆的“直径”D,“圆心”即是弧中点。设球半径为1,∠AOB = 2θ,即D = 2θ,再求球面圆周长C = 2π sinθ,那么两者之比即为“圆周率”

可见,球面上的圆周率是关于θ的函数,并不是一个定值。

不过,考虑极限

可见,当 θ 充分小的时候,球上的圆周率充分靠近 π ,这说明球上的一个微小邻域内是平坦的,这也符合我们的直觉。

当 θ = π/2 时,也就是 2θ = π 时,球面上的“圆周率”达到最小为2,


最后,我再问一个比较严谨的问题:上面计算球面圆周长C利用的是——在旧的距离意义下的“老公式”,但是在新定义的距离之下,对于同一段曲线长,计算的结果仍然与原先一样吗?

答:如果弧微分的定义不变,即 ds = √(dx² + dy²) ,在微分几何中一个很基本的结论:弧长只取决于起点和终点,与参数的选择无关。

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