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如何通俗的解釋歐氏空間?



從起源來講,歐式空間是滿足歐幾里得《幾何原本》中幾何五公理的空間。維基百科 歐幾里得幾何 中給出的解釋如下:

1. 從一點向另一點可以引一條直線。

2. 任意線段能無限延伸成一條直線。

3. 給定任意線段,可以以其一個端點作為圓心,該線段作為半徑作一個圓。

4. 所有直角都相等。

5. 若兩條直線都與第三條直線相交,並且在同一邊的內角之和小於兩個直角,則這兩條直線在這一邊必定相交。

其中第五公理就是爭議不斷的「平行公理」。後來(大概是17世紀開始)反對平行公理的數學家們,只用前四條公理推出的、不滿足第五條公理的空間(例如:過一條直線外一點有無數條平行線的空間、沒有平行線的空間等)便是非歐空間。也就是說,在這幫偉(dao)大(luan)的數學家出現之前,根本就沒有所謂的「非歐空間」,也自然沒有「歐式空間」,人們都普遍認為世界上只有唯一一種組成空間的可能,就是我們所生活的符合經驗的空間,也即歐式空間。

(PS:其實我們生活的空間並非歐式空間,比如地球的經線,互相平行但卻相交於兩極,是非歐空間,只是我們察覺不到罷了。另外,經線也是非歐幾何中黎曼幾何(橢圓幾何)里典型的「有限無盡直線」)

(補充:歐式幾何里的平行是這樣的:第五公設里「若兩條直線都與第三條直線相交,並且在同一邊的內角之和小於兩個直角」 稱為兩直線非平行。若內角和等於兩個直角(180°),即為平行。經線與赤道的交線形成的角均為直角,根據定義是平行。)

對於本科數學以下的數學知識而言,並不需要詳細了解非歐空間,也因此可以默認五公理均為正確。在這五公理下推導出的經典幾何定理(例如直角坐標系、向量內積等)均是歐式空間下的定理。

簡單來說,如果不是數學專業學生,那麼平常我們生活、思考、做題的時候用到的空間都是歐式空間。當接觸到非歐空間的時候,才會去區分歐式空間和非歐空間。歐式空間在不同體系下有完全不一樣的描述,譬如直角坐標系描述、向量描述等。但是想要「通俗的解釋」,那就直接說「就是我們生活的空間」(初高中生的話,「立體幾何課里的空間」)大概就可以了...


歐氏空間可以理解為幾何空間的度量性在線性空間推廣的結果。

線性空間缺乏度量性,不能在線性空間上描述向量的長度及向量間的夾角,這一不足制約了線性空間的使用。參考幾何空間,向量的長度及向量間的夾角在幾何空間都能通過向量的內積來定義,因此只要在線性空間加入內積這一運算,就能讓線性空間具有度量性。

對幾何空間的內積進行抽象,可知其本質為幾何空間到實數域的一個二元映射,且這種映射具有對稱性、左線性及正定性。於是,做下述定義。

歐氏空間:設A是一個實數域上的線性空間,定義一個A到實數域R的二元映射f,使得A中任意兩個向量在R中都有唯一確定的數與之對應,若f滿足以下三點:

任意α、β、γ∈A,任意k、l∈R

(1)f(α, β) = f(β, α) ;(對稱性)

(2)f(kα + lβ, γ) = kf(α, γ) + lf(β, γ) ;(左線性)

(3)當α ≠ 0時,f(α, α) >0;(正定性)

則稱f為A的內積,A就稱為歐氏空間。簡而言之,歐氏空間就是具有了內積的線性空間

本人才疏學淺,若回答中有錯漏之處,還請各位知友批評指正。


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