
本人虽为教师,但教的是高中数学而不是高等数学,曾给学生上过四维图形的内容,但以惨败告终。
以下内容如果涉及高数内容有错误,还请各位大侠指正~
------------------比较无聊的理论铺垫------------------
首先要知道什么是维度。
数学中的维度指的是独立变量的个数,有这个变量,如果不存在不全为零的数列,使得,我们就说这个变量是独立的。
例如显示屏上的颜色一般用RGB三个变量来表示,因为这三个变量是独立的,所以我们可以说用RGB表示颜色是三维数据。打印的时候一般用CMYK来表示,这又是独立的四个变量,我们可以说用CMYK表示颜色是四维数据。需要注意,不是所有变量都是独立的——比如三围。
我们一般情况下说的一维表示直线,二维表示平面,三维表示空间,其实指的是变量和点之间的意义对应
如图所示一条直线,我们只要有一个变量,就可以表示图像上的任意一个点
同理很容易推广到用两个变量表示平面上任意一个点,用三个变量表示空间中任意一个点
那么问题来了,什么样的空间需要用四个变量、甚至五个变量来表示呢?
CMYK就是四维空间,常见的图片格式需要用两个独立的变量表示点,用三个独立的变量表示颜色(RGB),我们可以称之为五维空间。
当然这个答案不可能大家满意,用时间神马的来表示第四个维度看起来更高大上,不过这个已经脱离了纯数学的范畴,也脱离了大多数人的理解能力,所以我们只能换个方法来理解高维空间了。本人知识有限,就讲讲四维空间吧。
活在三维空间的我们很难理解四维空间,就像夏虫不可语冰一样,所以接下来我们要对四维空间上的图形释放大招——降维打击
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方法一:透视
本质上我们课本上出现的任意立体图形的直观图都是降维,我们看到的仅仅是一个二维图形,而因为人是生存在三维的,所以很容易通过光影效果或者辅助线判(nǎo)断(bǔ)出这是个立体图形。那么我们如何画出一个四维,乃至于五维图形的透视图呢?
试着采用最简单的数学猜想
最简单的零维图形——1个点
最简单的一维图形
先给出两个点,连接两点构成一条线段
得到一条线段
最简单的二维图形
先给出三个点,任意两个点进行连接,得到条直线
得到一个三角形
最简单的三维图形
先给出四个点,任意两个点进行连接,得到条直线
再画一下简单的辅助线,进行立体透视
得到了一个四面体
所以如果要得到一个最简单的思维图形,只要依照上面的方法,给出五个点
,然后任意两个点连接,得到条线
恭喜,我们获得了最简单的四维图形——单纯形(Simplex),又称五胞体
我们也简单地处理一下,让图像显得立体化,并顺便看看单纯形旋转时在三维空间透视
当然,这种方式看起来并不直观,所以我们得尝试用其他方式
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方法二:展开
五胞体并不太规则,接下来的篇幅我主要用超正方体(Tesseract,又称正八胞体,是正方形,立方体在四维上的推广)来解释
展开很好理解,大家在小学的课堂就学习过立方体的展开
通过这种方式可以把三维的立方体降维成二维的图形
那是不是可以通过类似的方式将四维的超正方体
降维结果如下
值得一提的是,就像立方体展开为平面图形有多个方法一样,四维超正方体的展开方式也有261种
这里和大家分享一下展开的动图,反正我是没看懂= =
这个方法还是不够直观,有没有更好的方法呢?
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方法三:切割
想象我们将一个立体图形推过一个平面,会得到无数个截面,这也是降维的一种方式
如图所示,将一个立方体推入平面当中,我们将一直得到正方形的图像。
参照这个方法将超正方形推入三维空间,我们将一直得到正方体的图像。
图就不给了,很容易想象到空间中突然出现一个正方体,然后突然消失的画面(= =我才不会告诉你是因为我找不到图)
当然,就像在把正方形推入平面我们不一定平着推,可能斜着推一样
会得到很特殊的图像,我们来看看超正方体“斜着”推入三维空间我们会看到什么
动图点这里:
通过这个方法也还是很难想象四维图形,还有没有更好的方法?
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方法四:奥义·投影
如图所示,一个正方体内接于一个球内,以球顶为顶点,画一条经过球的射线,必然与地面相交。这样我们就够着出了一个三维立体图形和二维平面点的一一对应。当然这个球可以旋转
即便如此,我们依然可以通过平面上的图形简单地判断出,正方体有六个面,六个顶点,12条棱。
通过一样的方法,将超正方体放入四维球体当中,投影到三维空间,我们得到了这个图像
我们可以看出,它有16个顶点, 32条棱。当然,四维图形除了点、棱之外,还有面和胞
这样就能轻(jiān)松(nán)地识别出四个共面的顶点构成的平面,和八个共胞顶点构成的胞了吧。
笔者了解方法基本上就是以上几种,通过降维用三维图形来表示四维图形,至于五维图形。理论上也可以降维到三维,但差别已经太大了,在晚上也找不到类似的材料。
答到这里才注意到题主问的是四维空间和五维空间,好像打偏了= =就当我回答四维欧几里得空间吧。
参考资料:
1.系列科普视频《维度·数学漫步》
2.维基百科关于超正方体的词条:
