非歐幾何:雙曲與橢圓
蘭伯特四邊形(Lambert quadrilateral)
/ LAM-bairt /
約 1766 年,蘭伯特(Johann Heinrich Lambert)採取與薩凱里相同的策略,卻用了更俐落的圖形。蘭伯特四邊形是有三個直角的四邊形。於是僅剩的「第四個」角就是全部關鍵:在歐氏中它也必須是 90 度(成為矩形),但若幾何是非歐的,這第四角必被迫為鈍角或銳角。它恰是薩凱里四邊形沿對稱軸切開的一半——這正是兩圖形攜帶相同資訊的原因。
走一遍邏輯。三個直角既定,第四角獨自決定一切。第四角為直角 => 歐氏,圖形是矩形,與第四角相鄰的兩邊等於其對邊。第四角為鈍角 => 球面/橢圓幾何。第四角為銳角 => 雙曲幾何,而蘭伯特在此注意到一件先知般的事:角不足的量(角虧)與四邊形的面積成正比,且此幾何表現得彷彿畫在一個虛半徑的球面上。他甚至看出這會迫出一個絕對的長度單位——一件在歐氏中毫無對應的事實。
與薩凱里一樣,蘭伯特希望在銳角情形找到矛盾,卻始終沒有,不過他對自己的失敗較為誠實。他的四邊形之所以重要,在於它把平行問題濃縮為單一一個角,並把非歐的角虧直接繫於面積——這正是「雙曲三角形面積等於其角虧」這條定理的種子。兩種四邊形都是中立幾何的工具:關於它們、直到三情形分岔為止的每條定理,完全不需假設任何平行公設即成立。
取四邊形 PQRS,在 P、Q、R 處為直角。在歐氏中 S 處的角被迫為 90 度,PQRS 是矩形。在雙曲平面中 S 處的角是銳角,例如 84 度;少掉的 6 度與所圍面積成正比,且夾著 S 的兩邊比其對邊長。
三個直角既定;第四角為直角、鈍角、或銳角即命名了該幾何,其角虧追蹤面積。
蘭伯特四邊形不過是薩凱里四邊形的一半,兩者編碼相同的事實;沒有哪個才是「真正的」圖形。第四角為銳角並非缺陷——那是雙曲幾何恰如其分的表現。
又称
另见