愛爾蘭根綱領:變換群與幾何學

幾何的階層(hierarchy of geometries)

克萊因的綱領不只是分別描述每一種幾何;它把它們疊起來。有些幾何比另一些更寬容——它們讓你對圖形做更多事,因而對它注意到的更少。依各幾何的變換群有多寬容把它們排好,會得到一座整齊的塔:頂端坐著最寬容的射影幾何,其下依序是仿射、再來是相似、最底層是最嚴格的歐氏幾何,每一層都是其上一層的特例。

一旦看出來,組織原則就很簡單:若幾何 A 的變換群被包含在幾何 B 的變換群之內,則 B 較寬容、A 較精細。對平面而言,剛體運動的歐氏群包含於相似群(後者加入均勻縮放)之內,相似群包含於仿射群(加入剪切與非均勻縮放)之內,仿射群又包含於射影群(加入把平行線送成相交線的透視映射)之內。每往上一步都擴大群、因而丟棄不變量:從歐氏到相似,你失去絕對長度卻保住形狀與角;從相似到仿射,你失去形狀與角卻保住平行性與沿線的比值;從仿射到射影,你失去平行性卻保住接合與交比。群越小,幾何越豐富——歐氏幾何看見最多,因為它容許最少。

正是這種套疊,讓一條定理能同時棲身於數種幾何之中,也解釋了為何某些結果「屬於」某一層級。關於接合與共線的陳述其實是射影的,在其下每種幾何裡也成立;而關於角的陳述真正屬於歐氏,到了更高層就毫無意義。一個常見的混淆是把階層想顛倒了,以為「最大」的幾何最強大;其實恰恰相反——較大的群意味著較粗、較弱、可用不變量更少的幾何。

「三角形的三條中線交於一點」這陳述是仿射的:它在每個仿射映射下倖存,所以在仿射、相似、歐氏幾何中同樣成立,而且它甚至不提到長度或角。「三條高交於一點」這陳述則是歐氏的:它依賴垂直性,而垂直性會被仿射映射破壞,所以它只棲身於塔的最底層。

一條定理屬於它所談論之物仍被其群保持的最高層級。

這座塔與「大即強」的直覺相反:射影群最大,射影幾何卻最弱,只看得見接合與交比;而小小的歐氏群反倒產生最豐富的幾何。

又稱
nested geometriesthe tower of geometries幾何的層級結構幾何的塔