先看一个结论:
如图一所示,在球面上,若互相平行的两条直线(a和b)被第三条直线c所截,则同位角1与2相等、同旁内角2与3互补。
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图一
许多人都会怀疑这个结论,但这个结论却是正确的。为什么正确?且听下面分解。
在球面上,用平面截球面,都会得到圆,如果用平面通过球心截球面,得到的是大圆(我称这个平面为大圆平面),不通过球心截球面,得到的是小圆(我称这个平面为小圆平面)。目前人类认为,大圆为球面上的直线。在我的定义中,小圆和大圆都是球面上的直线,也就是球面上的大圆是直线,但不是只有大圆才是直线,小圆也是直线。
为啥大圆是球面上的直线呢?直的本质就是不弯曲,大圆是沿着球的赤道、始终不改变方向(在垂直于大圆的方向始终没有发生弯曲)的情形下走出来的,所以大圆是球面上的直线。的确,球面本身是弯曲的,但这种弯曲是球面上必然有的弯曲(否则就不是球面了),所以不能根据这个弯曲说大圆是弯曲的。
那么为啥小圆也是球面上的直线呢?因为直的本质就是不弯曲,小圆也是沿着球面的某一方向(在垂直于小圆的方向始终没有发生弯曲)走出来的(比如在北纬30度的位置一直向东或西走,始终不改变方向的走,就会走出小圆来),所以小圆也是球面上的直线。的确,球面本身是弯曲的,但这种弯曲是球面上必然有的弯曲(否则就不是球面了),所以不能根据这个弯曲说小圆是弯曲的。
小圆也是球面上的直线的另一个根据是,当球的直径无限大时,无论是大圆还是小圆都会成为直线。
另外,球面上射线可以是沿着小圆的,也可以使沿着大圆的。比如说球面上一束光线,未必都是沿着大圆走的,也可以是沿着小圆走的。所以小圆也是直线。
因为在球面上大圆及小圆都是直线,所以,在球面上
过两点有无数条直线。
三点决定一条直线。
大圆围成的角是角,小圆围成的角也是角。
大圆围成的三角形是三角形,小圆或小圆与大圆的混合围成的三角形也是三角形。
过已知直线外一点只有一条直线与已知直线平行。(球面上存在平行线)
不相交的直线不一定平行。
三角形的内角和大于等于180度。
同一直线的垂线不一定互相平行。
两条平行的直线若被第三条直线所截,则同位角相等,同旁内角互补。
不平行的直线不一定相交。
两条直线被第三条直线所截,如果同位角相等,且同位边相等,那么这两条直线平行。
同一直线的垂线未必平行。
直线的垂线与斜线未必相交。
不相交的直线之间也有角度关系。
平行就是两条直线的角度为零。
三角形的外角等于两个内角的和。
。。。。。。
关于黎曼几何
球面上,大圆(黎曼的直线)之外没有大圆(黎曼的直线)与之平行。这当然是对的、是真理。在球面上一个确定的大圆之外怎么可能还有大圆与之平行呢?显然是没有。所以黎曼是对的。但没有与大圆平行的大圆不等于没有与大圆平行的小圆,也不等于没有小圆与小圆的平行。我说的就是小圆与小圆、小圆与大圆的平行。
关于角的定义
大圆所围成的角是角,小圆所围成的角也是角。其大小都是用两面角的大小定义的。由于小圆可以与大圆平行,所以小圆所围成的角本质上也可以视为大圆所围成的角。例如,如图二所示,c和a为大圆,b为小圆。由于a为平行于小圆b的大圆,c与a所围成的角2与c与b围成角1是同位角,所以角1与角2是相等的。所以,我们可以视小圆所围成的角1与大圆所围成的角2是等价的。
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图二
关于内角和等于180度
如图三所示,设abc为球面上的三角形,这个三角形的三边所在的平面皆垂直于同一个平面。延长三角形的边ac到d,通过c画ab的平行线,由于同位角相等和内错角相等,所以球面上的三角形abc在c点的外角bcd等于两个内角的和,所以三角形abc的内角和为180度。
图三
再论小圆也是球面上的直线的道理
许多人都认为大圆才是球面上的直线,而我则认为,球面上的直线不止是大圆,小圆也是球面上的直线,这个观点一出,立即遭到许多人的反对。下面,我再从一个新的角度论证一下小圆也是直线的原因,看看大家是不是可以接受。
你们看这是相贯的两个球,其相贯线对于小球来说是大圆,对于大圆来说是小圆,那么请问,这个相贯线到底是直线呢?还不是直线呢?显然这个相贯线不可能又是直线,又不是直线吧?如果你们坚持大圆是直线,小圆不是直线,那么你们在这里就会陷入困境。而我说大圆小圆都是直线,我就不会陷入困境,我就可以解释得通。
所以结论只能是小圆也是球面上的直线!
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图四
再谈球面三角形的内角和
如图所示的三角形abc的内角和大于180度。这个三角形就是由三个小圆构成的。而且这三个小圆没有垂直于一个共同的直线(球面上的直线),如果这三个小圆都垂直于同一直线,那么三角形abc的内角和就会等于180度了。
图五