欧几里德空间的现代引入中的一个问题

\mathcal{E}是一个非空集合,里面的元素称为“点”。对于集合中的这些点,我们可以做《几何原本》说能做的所有事,从而得到一切《几何原本》能得到的结论。其中就包括允许我们谈及“由点a到点b的有向线段”,a,b\in\mathcal{E}。我们建立一个“从点a到点b的有向线段”到一个向量空间\mathcal{V}的映射\Phi:\mathcal{E}\times\mathcal{E}\rightarrow\mathcal{V},且\Phi\left(x,x\right)\equiv\mathbf{0}\forall x\in\mathcal{E},其中\mathbf{0}\mathcal{V}的零向量。选定一个点o\in\mathcal{E},又可记\Phi_o:\mathcal{E}\rightarrow\mathcal{V}\Phi_o\left(x\right)\equiv\Phi\left(o,x\right)。在很多书中​(Berger 1987; Audin 2002)​,直接预先把\Phi_o规定为双射。但我在这里想先不作此规定。最多,由于我们希望\mathcal{E}中的每个原素都能在给定原点的前提下在\mathcal{V}中找到唯一对应(反之并不必亦然),从而规定\Phi_o为单射非满射。

我不确定离开某数集,光靠欧几里德几何的公设体系能否独立定义“线段的长度”、“两线段长度相等”、“一条线段的长度大于另一条线段的长度”。我似懂非懂地看了一下Wikipedia,兴许Tarski的公设体系实现了这件事。但不管如何,我们在“长度”问题上的重新定义,应该不会造成整个欧几里德几何的重新定义,因为“相等”、“大小”之类的逻辑,在数集里跟在欧几里德几何里是相同的。所以下一步我们定义,\mathcal{E}中有向线段(记为\overline{xy},x,y\in\mathcal{E})的长度就是所对应的\mathcal{V}中向量的范:

    \[d:\mathcal{E}\times\mathcal{E}\rightarrow\mathbb{R},\overline{ab}\equiv d\left(a,b\right)\equiv\left\|\Phi\left(a,b\right)\right\|\]

其中\left\|\mathbf{u}\right\|\equiv\sqrt{\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}},\mathbf{u}\in\mathcal{V}

同样的道理,如果能认为欧几里德几何原本的“角度大小”以及其于这个概念的成立而证得的一切推论也是通过“相等”、“大小”等逻辑独立于数集而被规定的​*​,那么采用实数集来重新规定就不会改变原有逻辑基础,从而原有的几何推论也都成立(可用)。现在我们通过施瓦茨不等式来定义\mathcal{V}由三个不同的点所构成的角的度数。

\mathcal{V}中,由内积运算的性质,有如下关系:

(1)   \begin{equation*}\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|^2+\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|^2=\left\|\Phi_o\left(x\right)-\Phi_o\left(y\right)\right\|+2\Phi_o\left(x\right)\cdot\Phi_o\left(y\right)\end{equation*}

由施瓦茨不等式

    \begin{align*}&\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|^2+\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|^2\geq\left|\Phi_o\left(x\right)\cdot\Phi_o\left(y\right)\right|^2\\\Leftrightarrow&-1\leq\frac{\Phi_o\left(x\right)\cdot\Phi_o\left(y\right)}{\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|}\leq1\end{align*}

由于\cos:\left[0,\pi\right]\rightarrow\left[-1,1\right]是双射,故可定义“两向量的夹角”:

    \[\theta:\mathcal{V}\times\mathcal{V}\rightarrow\left[0,\pi\right],\theta\left(\mathbf{u},\mathbf{v}\right)\equiv\mathrm{arccos}\frac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{\left\|\mathbf{u}\right\|\left\|\mathbf{v}\right\|}\]

式(1)变为:

(2)   \begin{align*}&\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|^2+\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|^2\\=&\left\|\Phi_o\left(x\right)-\Phi_o\left(y\right)\right\|^2+2\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|\cos\theta\left(\Phi_o\left(x\right),\Phi_o\left(y\right)\right)\end{align*}

由内积定义可知\theta\left(\mathbf{u},\mathbf{v}\right)=\theta\left(\mathbf{v},\mathbf{u}\right)\forall\mathbf{u},\mathbf{v}\in\mathcal{V}

\mathcal{E}中,由余弦定理(《几何原本》命题12、13),

(3)   \begin{align*}&\overline{ox}^2+\overline{oy}^2=\overline{xy}^2+2\overline{ox}\times\overline{oy}\cos\angle xoy\nonumber\\\Leftrightarrow&\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|^2+\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|^2=\left\|\Phi_x\left(y\right)\right\|^2+2\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|\cos\angle xoy\end{align*}

其中\angle xoy,x,o,y\in\mathcal{E}表示由点xoy构成的角。将式(2)代入式(3)得:

    \begin{align*}&\left\|\Phi_o\left(x\right)-\Phi_o\left(y\right)\right\|^2+2\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|\cos\theta\left(\Phi_o\left(x\right),\Phi_o\left(y\right)\right)\\=&\left\|\Phi_x\left(y\right)\right\|+2\left\|\Phi_o\left(x\right)\right\|\left\|\Phi_o\left(y\right)\right\|\cos\angle xoy\end{align*}

比较上式等号左右两边,可知以下两命题互为充要条件:

    \[\Phi_o\left(x\right)-\Phi_o\left(y\right)=\pm\Phi_x\left(y\right)\Leftrightarrow\cos\angle xoy=\cos\theta\left(\Phi_o\left(x\right),\Phi_o\left(y\right)\right)\]

我们不妨对映射\Phi增加规定:\Phi\left(o,y\right)-\Phi\left(o,x\right)=\Phi\left(x,y\right)=-\Phi\left(y,x\right),\forall o,x,y\in\mathcal{E},则由上述等价关系我们同时获得了\mathcal{E}中的角\angle xoy,x,o,y\in\mathcal{E}的大小与实数域\left[0,\pi\right]的映射:\measuredangle:\mathcal{E}^3\rightarrow\left[0,\pi\right],\measuredangle\left(xoy\right)\equiv\measuredangle xoy\equiv\theta\left(\Phi_o\left(x\right),\Phi_o\left(y\right)\right)

至此,我做的事情是是:1)规定了\mathcal{E}中的有向线段与\mathcal{V}中的向量的映射(未规定是什么射);2)利用\mathcal{V}的内积定义,规定了\mathcal{E}中线段的长度和角的大小与实数集的映射。在做这些规定的时候,我利用了已知的欧几里德几何推论(余弦定理)。这一规定性自然而然带来一些需要重新证明的命题。例如,原几何规定(Tarski)的“两线段相等”,则它们所对应的实数值相等;原几何定义的直角,在现有的规定里对应实数\pi/2等等。这里我未能完备地列出上述重新规定所引起的这类重新证明任务,但我相信这些命题是有限的,易证的。这为我们建立\mathcal{E}\mathcal{V}的维数对应性打下了部分基础,即\mathcal{E}的“直角”与\mathcal{V}的“正交向量”对应上了。

尚缺少的概念对应是“过一点的直线”。也正是在这个问题里,我发现\Phi_o不得不如现有的书中那般进一步规定为双射。先看一个出发点比较好,但失败的例子——从\mathcal{E}的已知概念出发,通过已规定的(未必双射的)映射\Phi_o来找到\mathcal{V}中的对应。

由欧几里德几何易知,过点ab的直线上的任一点ca,b,c\in\mathcal{E},a\neq b,必满足以下四种情况之一:1)\measuredangle cab=0;2)\measuredangle cab=\pi;3)c=a;4)c=b。根据前文的规定,又有\overline{ac}=\left\|\Phi_a\left(c\right)\right\|\overline{ab}=\left\|\Phi_a\left(b\right)\right\|。对于情况1)和2),由

    \[\cos\measuredangle cab =\frac{ \Phi_a\left(c\right)\cdot\Phi_a\left(b\right)}{\left\|\Phi_a\left(c\right)\right\|\left\|\Phi_a\left(b\right)\right\|}=\pm 1\]

左右两边同除\left\|\Phi_a\left(b\right)\right\|

    \[\frac{\Phi_a\left(c\right)\cdot\Phi_a\left(b\right)}{\Phi_a\left(b\right)\cdot\Phi_a\left(b\right)}=\pm\frac{\left\|\Phi_a\left(c\right)\right\|}{\left\|\Phi_a\left(b\right)\right\|}\equiv\alpha^\prime\]

其中情况1)取正号,情况2)取负号。另外,显然情况3)和4)\alpha^\prime等于0或无穷。我们可以重新整理四种情况,写成

    \begin{align*}&\Phi_a\left(c\right)\cdot\Phi_a\left(b\right)=\alpha\left(\Phi_a\left(b\right)\cdot\Phi_a\left(b\right)\right),\alpha\in\mathbb{R}\\\Leftarrow&\Phi_a\left(c\right)=\alpha\Phi_a\left(b\right)\end{align*}

上式中,前者仅是后者的必要非充份条件。如果这一步是充要条件,从而得到最后的结论,那么我们无需规定\Phi_a是双射,就能把\mathcal{E}中过任意两点a,b的直线上的点的集合,映射为\mathcal{V}的子集\mathcal{L}_{ab}=\left\{\mathbf{c}|\Phi_a\left(c\right)=\alpha\Phi_a\left(b\right),\alpha\in\mathbb{R}\}。事实上,易证这一子集是\mathcal{V}的子空间且维数是1。若有了此基础,就可进一步推演出\mathcal{E}的维数就是\mathcal{V}的维数,从头到尾无需说明\Phi_a是双射。另外,这也同时证明了另一个重要的结果,就是把\mathcal{E}中的直线与实数轴建立了对应,为建立笛卡尔坐标系奠定了基础。可惜,在上面我们只能得到必要非充份条件的关系,所以我们就无法拥有后面的这些优美叙述。

如果我们反过来,从\mathcal{V}出发去找\mathcal{E}中的直线,就免不了“给定任一\mathbb{u}\in\mathcal{V},找出其在\mathcal{E}中对应的有向线段”的任务,这要求映射\Phi_a是可逆的,即为双射。虽然我看不到\Phi_a有什么理由不能是一个双射,但毕竟这是一项重大的“从\mathcal{V}\mathcal{E}的反向规定”动作,这比前面的“长度”和“角度”的反向规定影响大多了,是全局性地规定了\mathcal{E}这整个空间。如此一来,\mathcal{E}不仅带着其原有的《几何原本》所有推论,又突然于一个向量空间等距同构。凭什么向量空间——一个意图完全与几何无关的数学概念——恰好重现了《几何原本》的欧几里德空间的一切性质呢?我找不到在这个层面上有什么万佛朝宗式的解释。如果没有这种解释,那么就只能认为,这一双射只是重新定义了一个空间\mathcal{E},其几何性质只由定义它的那个内积空间\mathcal{V}来规定——这也是现代几何对“欧几里德空间”的定义,即完全抛弃了《几何原本》。既然如此,这一现代定义的“欧几里德空间”中,是否要用向量代数重新证明一切数学史上从《几何原本》证明过的几何定理?这个任务是一个庞大的任务,还是只需重现出欧几理德几何的有限几条公设即可?这个任务是否已经被完成了?尽管如此,我们难道真的不能relax掉“双射”这一规定性吗?


  1. ​*​
    例如,直角在《几何原本》里(定义10)就不是通过角度定义的。一个普通角的大小,又可以按照其正切的定义,从其所在的某直角三角形中对边长度与邻边长度之比来定义,从而回归到已解决了的线段长度大小的问题。

  1. Audin M (2002) Geometry. Springer
  2. Berger M (1987) Geometry I. Springer