非歐幾何:雙曲與橢圓

薩凱里四邊形(Saccheri quadrilateral)

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1733 年,耶穌會神父薩凱里(Giovanni Saccheri)試圖以反證法為歐幾里得辯護:假設平行公設為假,追究其後果,期望撞上矛盾。他為此打造的工具如今以他為名。薩凱里四邊形從底邊 AB 出發,在同一側豎起兩條等長的垂線 AD 與 BC,再以線段 DC 連接其頂端。依作圖,A 與 B 處的兩底角皆為直角,且圖形左右對稱,所以 D 與 C 處的兩個頂角彼此相等。

整個問題歸結為一件事:那兩個相等的頂角是多少?薩凱里僅用所有幾何共有的公理(中立幾何,不假設平行公設)就證明出恰有三種邏輯可能——頂角同為直角、同為鈍角、或同為銳角。直角的情形正是歐幾里得:它迫出平行公設並使圖形成為矩形。鈍角的情形他正確地排除了(它與其他公理矛盾,對應於直線長度有限的球面幾何)。銳角的情形即雙曲世界——而他費盡心力,卻在其中找不到任何矛盾。

薩凱里勉強把銳角情形當作僅僅「違背直線的本性」而發表,誤把自己推不出荒謬,當成不存在荒謬的證明。他在不自知的情況下,比波約與羅巴切夫斯基早整整一個世紀,導出了數十條真正的雙曲幾何定理。誠實的教訓是:他的四邊形並沒有證明歐幾里得;它悄悄地證明了另一種選擇是一致的,恰與他原本想證明的相反。

造一個:底邊 AB 長 4,垂線 AD 與 BC 各長 3,朝同側向上,頂邊 DC 連接兩頂端。在歐氏中這是矩形(頂角 90 度,DC = 4)。在雙曲平面中頂角是銳角(例如各 86 度),且頂邊 DC 比底邊長——圖形向外鼓出。

底邊上的兩條等長垂線;頂角為直角、鈍角、或銳角分別選定歐氏、球面、或雙曲幾何。

薩凱里本想替歐幾里得辯護並自認成功;實則他導出了雙曲幾何卻錯失了它。此圖形並未證明歐氏有何錯誤——它只顯示銳角(雙曲)情形內部一致。

又称
Saccheri figure薩凱里圖形