非歐幾何:雙曲與橢圓

龐加萊圓盤模型(Poincare disk model)

/ pwan-kah-RAY /

雙曲幾何在你能真正畫出它之前,總像個傳聞。模型是一幅住在普通歐氏空間裡的具體圖像,其中所有雙曲公理都成真——而龐加萊圓盤是最受喜愛的一個,正是埃舍爾(Escher)「圓之極限」木刻的世界。整個無限的雙曲平面被擠進一個開圓盤裡。點就是嚴格落在邊界圓內部的點;邊界本身是「無窮遠」,並不屬於此平面。玄機在於尺被扭曲了:愈靠近圓周距離拉伸得愈劇烈,所以一個朝邊緣漂去的物體在紙上必須無止境地縮小,卻永遠到不了邊。

這模型附帶一本你必須學會的字典。「直線」(測地線)不是歐氏直線;它要麼是圓盤的直徑,要麼是與邊界圓正交(成直角)相交的圓弧。兩條這樣的弧若在圓盤內不相交就「平行」;既然過一條弧外一點可以塞進無窮多條互不相交的弧,平行公設便如雙曲幾何所要求的那樣失效。此模型的招牌優點是保角(conformal):它忠實保留角度,所以兩弧之間的雙曲角等於你在紙上量得的普通歐氏角。

為這份忠實,模型犧牲了直度與均勻的尺度:雙曲直線看起來是彎的,而相等的雙曲長度在邊緣附近看起來相差懸殊。這是關於所有這些模型的關鍵誠實處——沒有哪個是「真正的」雙曲平面;每個都是它忠實卻變形的地圖,正如圓地球的平面地圖。圓盤保住角度而犧牲形狀;克萊因模型則反其道而行。它們是同一套幾何的不同圖卡。

畫一個單位圓盤。一條直徑就是一條雙曲直線。另畫一條圓弧,從一個邊界點連到另一個,兩端都與圓周成 90 度相交——那是第二條雙曲直線。取一個不在直徑上的點:你可以過它畫無窮多條這樣的弧、在圓盤內永不碰到直徑,所以它有無窮多條平行線——而你用量角器讀到的每個角都是真正的雙曲角。

直線是直徑或與圓周成直角相交的弧;模型保住角度,卻在邊緣附近嚴重扭曲距離。

模型不是幾何本身——圓盤是雙曲平面變形卻忠實的地圖。它的直線只因所選圖卡而看似彎曲;就內蘊而言它們完全是直的,而圓周是不可及的無窮遠,不是一道牆。

又称
conformal disk modelPoincare circle model龐加萊圓模型