Arkadiusz Jadczyk Arkadiusz Jadczyk
538
BLOG

Nieeuklidesowe koronki

Arkadiusz Jadczyk Arkadiusz Jadczyk Kultura Obserwuj notkę 25

 

Wrócimy dziś, po dwóch tygodniach, do „Notki o torsji” - ale tym razem bez torsji. Przypomnę odpowiedni fragment z tej notki:
 
Zapomnijmy na razie o parabolach i zajmijmy się światem lub areną w której parabole mieszkają. Ten świat to „górna półpłaszczyzna”. We współrzędnych są to punkty o współrzędnych (x,y), gdzie y jest większe od zera. Dnem tej półpłaszczyzny jest Prosta y=0. Półpłaszczyzna to obszar nad tą prostą.
Zbyszek P przyglądał sie tej półpłaszczyźnie i zapragnął wyposażyć ją w torsję. W końcu sam wielki Einstein pisał o torsji, o Fernparallelismus i o n-beinach, które Cartan nazywał repère mobile. W świecie parabol mamy n=2, będą to zatem dwunogi. Hmmm, zastanawiał się Zbyszek, jakie to dwunogi można wyhodować na półpłaszczyźnie, tak by rosły zgodnie z naturą? Jedyne co mu przyszło do głowy to dwunogi naturalne. Mając punkt (x,y) na górnej półpłaszczyźnie, tylko jeden naturalny wektor można z tego punktu poprowadzić: pionowo w dół, aż do Prostej, nazwijmy go e1. Wtedy można poprowadzić drugi naturalny wektor: poziomo w prawo, tej samej wielkości co e1, nazwijmy go e2. I stworzył Zbyszek dwa pola wektorowe: pole e1 wektorów pionowych i pole e2 wektorów poziomych. Wyglądało to jakoś tak, gdzie wektory pionowe są zielone a wektory poziome żólte:
 
Pola wektorowe
 
We współrzędnych można to zapisać jako
e1(x,y) = (0, -y)
e2(x,y) = (y, 0)
Tak postał Zbyszkowy Dwunóg.”
 
Dziś, kiedy mamy już jakieś mgliste wyobrażenie o tym, czym jest geometria Riemanna (choćby niech tylko w dwóch wymiarach) i czym jest metryka, możemy te Zbyszkowe idee oprawić w inne ramki. I od razu obraz nabierze innego wydźwięku.
 
Przypomnę z ostatnich notek, że zdanie geometrii Riemanna to nic innego niż narysowanie elipsy w każdym punkcie obszaru wyposażonego w jakieś współrzędne. Jak już wspominałem nie jest to całkiem ścisłe matematycznie, bo te elipsy winny być w „przestrzeniach stycznych”, nie będziemy się jednak tym przejmować, bowiem kawałek takiej przestrzeni stycznej da się zawsze utożsamić z kawałkiem płaszczyzny na której rysujemy siatkę współrzędnych. Dodatkowo, nie mam zamiaru zmieniać siatek współrzędnych, przechodzić od jednych do drugich – niech się tym martwią kartografowie i zawodowi geometrzy.
 
Elipsy w geometrii Riemanna obrazują nam rozciągnięcia i zwężenia jakim uległa przedstawiana we współrzędnych „powierzchnia” przy rozpłaszczaniu jej na płaszczyznę mapy. Elipsy są zatem obrazami pierwotnych okręgów o jednostkowym promieniu. W geometrii Euklidesowej, która jest szczególnym przypadkiem geometrii Riemanna, nic się nie rozpłaszcza. Płaszczyzna , z kartezjańskim układem współrzędnych, jest po prostu przykładana do siebie samej. Okręgi pozostają okręgami. Zatem obrazkowo geometria Euklidesa wygląda jakoś tak:
Pola wektorowe i okręgi
 
Elipsy są okręgami. Wektory „jednostkowe” (o „prawdziwej długości” jeden) są jednostkowe także na rysunku. Nic się nie rozciągnęło, nic się nie spłaszczyło. Macierz g przedstawiająca „metrykę” (patrz poprzednia notka) to macierz jednostkowa:
 
[1 0]
[0 1]
 
A jak to będzie z „geometrią Zbyszkową”? Traktując wektory Zbyszka jako osie elips otrzymamy taki obrazek:
 
Pola wektorowe i okręgi - geometria nieeuklidesowa
 
Okręgi są nadal okręgami – rozciągnięcie (czy spłaszczenie) jest takie samo w każdym kierunku – ale promień okręgu zależy od położenia jego środka. Dokładniej: jest równy wysokości środka okręgu nad osią x. Żeby coś takiego otrzymać przez spłaszczanie i rozciąganie jakby musiała wyglądać nasza pierwotna powierzchnia? Byłoby to coś takiego:
Koronka Łobaczewskiego
 
Czym bliżej osi x, czym mniejsze y, tym większe jest zagęszczenie. Czym dalej od osi y, tym większe jest rozciągnięcie. Napisać wzorami łatwo, zrobić na szydełkach znacznie trudniej – tylko niewielki kawałek da się wyszydełkować
 
A jak to jest wzorami? Nasze okręgi mają promienie równe y. Przypomnijmy, że macierz g reprezentująca elipsę o osiach a,b wzdłuż x-a i y-ka (nieprzekrzywioną) to
 
[1/a2 0]
[0 1/b2]
 
W naszym przypadku a=b=y, zatem nasza metryka g(x,t) to
 
[1/y2 0]
[0 1/y2]
 
Zatem (porównaj z poprzednią notką) g11(x,y) = 1/y2 , g21(x,y) = g12(x,y) = 0, g22(x,y) = 1/y2 .
 
Możemy teraz zacząć używać naszego matematycznego krzywomierza i mierzyć odległości. Zaczniemy od tych łatwych. Obliczmy odległość poziomego odcinka łączącego dwa punkty A i B, o współrzędnych (1,2) i (2,2) odpowiednio.
 
Odcinek poziomy
 
To zadanie jest łatwe. Cały nasz odcinek leży na wysokości y=2. Jednostka długości na tej wysokości wynosi także 2. Nasz odcinek to połowa tej jednostki długości. Zatem jego „prawdziwa długość” z szydełkowej robótki wynosi ½.
 
A teraz rozważmy odcinek pionowy. Tym razem nasze dwa punkty A i B to (1,2) i (1,1):
 
Odcinek pionowy
 
Tym razem skala zmienia gdy idziemy wzdłuż odcinka. Musimy użyć „metody całkowania” naszkicowanej w poprzedniej notce:
 
ds2 = g11(x,y) (Delta x)2 + g12(x,y) Delta x Delta y + g21(x,y) Delta y Delta x + g22(x,y) (Delta y)2 (formuła R)
 
Liczymy długość małego kawałka naszej linii. Wzdłuż całej linii x jest takie samo (równe 1). Zatem Delta x = 0. Podstawiając nasze dane redukujemy formułę do prostego:
 
ds2 = (1/y2) (Delta y)2
 
Będziemy szli nie od A do B, lecz od B do A – żeby y się zwiększało, wtedy Delta y będzie zawsze dodatnia. Ponieważ y jest u nas zawsze dodatnie, stąd
 
ds = (1/y) (Delta y)
 
Teraz trzeba te małe ds-y pododawać do siebie – wycałkować. Musimy wycałkować funkcję 1/y od 1 do 2. Ponieważ całkować mało kto umie, zajrzymy do Wikipedii pod całki z funkcji wymiernych (bo 1/y to funkcja wymierna). Znajdujemy tam, że całka z funkcji 1/x to log(|x|). U nas jest 1/y, zatem całka to log(|y|). Całkujemy od 1 do 2, stąd całka to log(2)-log(1). Kalkulatorem znajdziemy, że log(2)-log(1) to 0.693147. Zatem prawdziwa długość naszego pionowego odcinka to 0.693147.
 
A jaka jest prawdziwa długość pionowego gdy y zmienia się nie od 1 do 2 lecz od 5 do 6? Będzie to log(6)-log(5) = 0.182322.
 
A jaka jest prawdziwa długość pionowego odcinka gdy 6 zmienia się od 0.1 do 0.2? Będzie to log(0.2)-log(0.1) = 0.693147. Zatem prawdziwa długość odcinka gdy y zmienia się od 1 do 2 jest taka sama jak prawdziwa długość odcinka gdy y zmienia się od 0.1 do 0.2! I taka sama jest prawdziwa długość długość odcinka pionowego gdy y zmienia się 0.0001 do 0.0002! Niesamowite. Na naszym rysunku byłby to odcinek tyciutki-tyciutki. Czym bliżej osi y tym bardzie nasz rysunek musimy rozciągać by odtworzyć prawdziwą powierzchnię. Nic dziwnego, że szydełkowa robótka musi się coraz to bardziej fałdować.
 
I tak zaprzyjaźniliśmy się z pierwszym historycznie modelem geometrii nieeuklidesowej – geometrią Bolyai-Łobaczewskiego.
cdn

 

Naukowiec, zainteresowany obrzeżami nauki. Katalog SEO Katalog Stron map counter Życie jest religią. Nasze życiowe doświadczenia odzwierciedlają nasze oddziaływania z Bogiem. Ludzie śpiący są ludźmi małej wiary gdy idzie o ich oddziaływania ze wszystkim co stworzone. Niektórzy ludzie sądzą, że świat istnieje dla nich, po to, by go pokonać, zignorować lub zgasić. Dla tych ludzi świat zgaśnie. Staną się dokładnie tym co dali życiu. Staną się jedynie snem w "przeszłości". Ci co baczą uważnie na obiektywną rzeczywistość wokół siebie, staną się rzeczywistością "Przyszłości" Lista wszystkich wpisów  

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Kultura