非歐幾何:雙曲與橢圓

平行角(angle of parallelism)

在歐氏平面中,距離與角度互不相干:一個給定的長度對任何角度都說不出絕對的話。平行角則是一個驚人的事實:在雙曲幾何中兩者被焊在一起。從點 P 向直線 L 垂下一條長為 p 的垂線。現在從 P 朝 L 擺動一條射線。夠陡的射線會碰到 L;太平的射線則完全錯過;而恰有一條臨界射線剛好碰不到 L——即極限平行線。這條臨界射線與垂線所夾的角就是平行角,記為 Pi(p)。它只依賴距離 p。

具體而言,Pi(p) 永遠是銳角(嚴格小於 90 度),且隨 p 增大而縮小。當 P 非常靠近 L(p 很小)時,Pi(p) 略小於 90 度,圖像近乎歐氏——極限平行線幾乎與垂線成直角。當 P 遠離 L(p 很大)時,Pi(p) 趨向 0 度:臨界射線沿著垂線陡傾,不相交方向的扇面大大張開。羅巴切夫斯基的精確公式為 tan(Pi(p) / 2) = e^(-p/k),其中 k 是平面的曲率常數;唯有在不可及的歐氏極限(k -> 無窮大)時,Pi(p) 才對每個 p 都鎖在 90 度。

它為何重要:這單一函數是雙曲幾何的量化核心。因為 Pi(p) 僅由 p 決定,長度便獲得絕對意義——你可以純粹用它所產生的角度來指明某個特定長度,毫無任意尺規可言。這在歐氏中不可能,因為那裡可以自由地把一切縮放,而這也正是雙曲平面中「相似但不相等的三角形」無法存在的深層原因。

設曲率常數 k = 1。在離直線 p = 1 處,tan(Pi/2) = e^(-1) = 0.368,故 Pi(1) = 2 arctan(0.368) 約 40.4 度。在 p = 2 處,e^(-2) = 0.135 給出 Pi(2) 約 15.4 度。距離加倍,平行角縮減超過一半——你離一條線愈遠,它的平行線傾斜得愈陡。

「剛好錯過」的臨界射線與垂線成 Pi(p) 角;它只依距離而定,並隨遠離而趨向 0。

在歐氏中平行角對每個距離都是固定的 90 度,所以那裡從不教這種關係。它隨距離變化是雙曲幾何獨有的,歐氏中沒有對應物。

又稱
Lobachevsky's functionPi(p)羅巴切夫斯基平行角