非歐幾何:雙曲與橢圓

橢圓幾何(elliptic geometry)

若雙曲幾何是允許「太多」平行線所得,橢圓幾何就是另一個極端——一套完全沒有平行線的幾何。過直線外一點,平行線不是一條(歐氏)也不是無窮多條(雙曲),而是零條:每一對直線都相交。黎曼(Riemann)在 1854 年推開了這第三道門。要讓它成立,須鬆動歐氏的兩項假設——直線的總長須有限(它們自我閉合),且須捨棄「一條線在每個方向各有相異端點」的假設。

要記在腦中的模型是球面,外加一個關鍵調整。在球面上「直線」是大圓(把球切成相等兩半的圓,如赤道),因為它們是最短路徑、是可得最直的路線。任兩個大圓總是相交——在兩個直徑相對的點。要得到真正的橢圓幾何(其中兩線恰交於一點,如正規幾何所要求),須把每一對對徑點認同為單一一點;結果就是實射影平面。如今任兩線恰交一次,沒有平行線,且三角形向外鼓:其內角和大於 180 度,角盈隨面積增大而增大。

橢圓幾何有它自己優雅的標誌,即點與線之間完美的對偶:任一真敘述,若把當中的「點」與「線」二字通通互換仍為真,因為在射影平面中兩點確定一線、兩線確定一點,對稱地成立。如同其他幾何,誠實的定位是:橢圓幾何並未推翻歐氏——它是第三個一致的選擇,由替換平行公設(並鬆動直線長度公理)而得,而非由在原版中找到任何瑕疵而得。

在地球儀上,兩條經線都是大圓,所以都是「直線」。它們在赤道處看似平行,卻無可避免地在南北極相交——這證明沒有平行線。一個連接北極與赤道上相距 90 度的兩點的三角形,有三個直角,和為 270 度:角盈 90 度,這在歐氏中不可能。

沒有平行線、任兩線必相交、三角形內角和超過 180 度——第三套一致的幾何,點線對偶。

球面幾何與橢圓幾何是近親卻不相同:球面上兩大圓相交兩次(在對徑點),違反「兩點定一線」。真正的橢圓幾何把對徑點黏成一個,使任兩線恰交一次。

又稱
Riemannian geometry (classical sense)single elliptic geometry黎曼幾何(古典意義)