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欧氏几何 欧氏几何,是古希腊数学家欧几里得在其著作《几何原本》中系统化的一种几何体系。它以五条公设为基础,通过逻辑推理构建了一套完整的几何理论。欧氏几何的研究对象主要是平面和空间中的点、线、面及其相互关系,其核心在于严谨的演绎推理和直观的空间观念。 欧几里得生活在公元前300年左右的亚历山大城,当时希腊数学已经积累了丰富的几何知识。欧几里得的伟大之处在于他将这些零散的知识整合为一个逻辑严密的体系。《几何原本》共13卷,涵盖了平面几何、数论、立体几何等内容,其中前六卷主要讨论平面几何,是欧氏几何的核心部分。这部著作不仅成为后世数学教材的范本,更奠定了公理化方法的基础。 欧氏几何的基础是五条公设:任意两点之间可以连接一条直线。有限直线可以无限延长。以任意点为中心,任意距离为半径可以画圆。所有直角彼此相等。平行公设:如果一条直线与两条直线相交,并且在同一侧的内角之和小于两直角,则这两条直线在该侧延长后必相交。前四条公设简洁直观,而第五公设因其复杂性引发了后世数学家长期的探讨。这一探索导致了非欧几何的诞生。 欧氏几何的核心内容包括:平面几何,研究平面内点、线、角、三角形、圆等图形的性质。相似与全等,通过比较图形的形状和大小,研究全等和相似的性质。圆的性质,包括圆周角定理、切线性质、弦与弧的关系等。立体几何,研究空间中的多面体、圆柱、圆锥、球等几何体的性质。 19世纪,数学家发现平行公设的独立性后,非欧几何应运而生。罗巴切夫斯基几何假设“过直线外一点有无数条平行线”,而黎曼几何则假设“没有平行线”。这些几何体系在相对论和宇宙学中发挥了重要作用。例如,爱因斯坦的广义相对论采用黎曼几何描述弯曲的时空结构。尽管如此,欧氏几何在宏观低速的日常世界中仍然是高度精确的模型。 欧氏几何史上留下了许多著名问题,例如:尺规作图三大难题,化圆为方、倍立方、三等分角。这些问题在欧氏几何框架下被证明为不可能完成,但推动了代数与几何的结合。正多边形作图,高斯证明了哪些正多边形可以用尺规作图,这一发现与数论中的费马素数密切相关。九点圆定理,任意三角形的九点共圆,展现了欧氏几何的优美对称性。 20世纪以来,欧氏几何的研究并未停止。例如:几何不等式,研究几何图形中的不等关系。组合几何,研究几何图形的排列与覆盖问题。计算几何,将欧氏几何与算法结合,用于解决计算机科学中的图形处理、路径规划等问题。
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【中配】从零开始理解三维挂谷猜想(卡凯亚猜想) 王虹,陶哲轩 一个关于如何“旋转针头”的简单几何问题,竟然困扰了数学界 50 多年,并成为了现代调和分析的基石。2025 年初,两位数学家终于在三维空间证明了这个“世纪级”的猜想。 1. 问题的起源:挂谷集合 1917 年,日本数学家挂谷宗一提出:如果有一根无限薄的针,在平面内旋转 360 度,所扫过的最小面积是多少? 虽然圆形和内摆线是直观的答案,但数学家贝西科维奇证明,你可以构造出面积任意小、甚至为零的集合。这类集合被称为挂谷集合(Kakeya Sets)。 2. 从“面积”到“维度” 既然面积可以是零,数学家转向研究挂谷集合的“大小”——即分形维度(豪斯多夫维度或闵可夫斯基维度)。 挂谷猜想:在 n 维空间中,任何包含所有方向线段的集合,其维度必须等于 n。 虽然直觉上“包含所有方向”需要占据很多空间,但在高维空间中,无数条细长的线(管子)可以极其精妙地交织而不重叠,证明它们“避无可避”地填满了空间极其困难。 3. 跨学科的桥梁:调和分析 1970 年代,查尔斯·费弗曼发现挂谷猜想与**傅里叶变换(Fourier Transform)**有着惊人的联系。 猜想塔:挂谷猜想是调和分析中一系列顶尖问题的底层: 限制性猜想:关于曲面上的波动规律。 局部平滑猜想:关于波在空间中传播的微分方程。 如果挂谷猜想是错的,这整座数学大厦都会崩塌。如果它是对的,证明它的方法将成为攻克更高层难题的钥匙。 4. 2025 年的重大突破 数学家 王虹 和 Zahl 攻克了三维挂谷猜想: 从“粘性”到“颗粒感”:他们首先证明了“粘性”集合(方向接近的线位置也接近)的情况。随后利用数学家拉里·古思的理论,分析了反例中必须存在的“颗粒感”结构。 尺度归纳法:这就像玩“传声筒”游戏,通过精妙的计算控制了每一层传递中的信息损失,最终证明了在微观尺度上,这些管子无法被无限压缩。 5. 展望未来 三维空间的证明不仅是 20 年来调和分析领域最大的进展。现在,科学家利用新工具去攻克关于波传播和信号处理的更深层难题。 原视频标题:A Once-in-a-Century Proof: The Kakeya Conjecture 原作者:Quanta Magazine #青年创作者成长计划 #王虹 #陶哲轩 #韦东奕 #挂谷猜想
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