【角度】
通常我们这里指的是二维空间的角度,但很多时候它也会被扩展到三维空间中去使用,比如数学中的空间曲线夹角或者曲面夹角(实质上都是二维空间的角度)
定义这个概念之前,我们有必要谈一谈二维空间(我们不涉及更高维数,而且我们要提醒大家的是,我们下面的讨论最多能够适用到三维空间,四维空间或更高维空间,已经不能凭直观来想象)
一个二维空间,数学上的抽象定义是空间中每一个容量为0的结构(我们不直接说是点,因为可能导致其他问题,例如点的邻域的连续性问题,我们不想讨论那么多太复杂的与本部分主题无关的东西),可以用两个坐标来定位
例如图中曲面上任意一点可以用经向坐标(通过该点的抛物线上的自然坐标系中的坐标)和纬向坐标(通过该点的圆线上的自然坐标系中的坐标)这两个坐标来定位
但是我们很容易想到一个问题,经纬向的自然坐标系都是一维坐标系,它们要组成一个二维坐标系,必然要有一套组成规则
如果你想到了这个问题,那么就表明你触及到我们问题的核心了:
一个二维结构绝不是一系列一维结构的随意组合,二维结构之所以不再是一维结构,就是因为它上面存在了新的空间结构规则
所以我们讨论二维空间中的位置关系的时候,不仅要讨论长度(距离),通常还要讨论角度,因为角度是用来描述一维空间结构如何组成二维空间结构的规则用到的概念
物理学中的二维角度定义,与几何中二维角度定义一致,当两条曲线相交时,我们取它们交点附近的两条曲线的尽可能小部分(都要包括交点在内),将所取的两部分(每条曲线取一部分)近似看作直线,这样确定了一个非常微小的平面结构,在这个平面结构中去根据根据平直空间结构下定义的角度概念来定义两条直线之间的夹角
所以最终我们还是要定义平直空间中的两直线夹角
说到平直空间,很多人认为首先是一维平直空间的概念,即直线的概念,实际上我们并不能孤立定义一条直线,因为直这个概念本身由角度来定义,在我们没有定义角度前,扯直线的概念就等于是循环定义(角度由直线定义,直线又由角度定义,实际上两者都是架空的定义)
所以我们首先讨论的是面结构(未必是平面,因为你还没定义角度,平面的平也是靠角度定义的,但是曲面不需要依靠角度来定义,所以说曲面更具有一般性)
我们还要强调的是我们这里谈论的曲面都是光滑曲面,它不仅由光滑曲线构成,而且所有构成它的光滑曲线之间的组织方式也是光滑的(这不是数学语言,数学语言会涉及到各种可导性,还会考虑到那些分形曲线和分型面结构,那对我们来说太复杂,而且和本主题没多大关系,所以我们用一种不太专业但比较直观的说法来描述这个问题)
当我们随意取曲面上任意小的一个部分,这个小曲面内肯定包含了两条小的相交曲线,它们只有一个交点(如果不止一个,那说明我们取的小曲面还不够微小,还要更小,直到只剩下一个交点)
在这种条件下,我们要求所取的”小曲面“满足:
所有通过这两条小曲线的那个交点的小曲线之间都不再有另外的交点
通过这个共同交点的所有小曲线形成一个曲线族,我们将它们称为经向曲线族,我们可以将它们共同的交点定义为原点,其经向坐标为0,即所有小曲线上的一维自然坐标系都把这一点作为0坐标点重新规划坐标系,而且我们知道原点把每一条经向曲线分为两部分,一部分的坐标沿着曲线正向增大,一部分的坐标沿着曲线负向减小
把一个我们选好的小曲面部分放大后的样子,红线和蓝线为我们最先选取的那两条线,黑线是和它们通过同一交点的曲线族(的几个代表成员)
然后我们以那个交点为中心,画一个任意的圈(形状可以不规则,但仍然必须是光滑曲线,既然说它是圈,那就必须是条封闭曲线),并保证它绝对不通过那个交点:
类似地我们还可以画更多的圈,并且加一条要求:
所有的圈之间都没有交点
假定我们画了无数个圈,它们可以称之为同心圈族,也是一个曲线族,我们把它们称为纬向曲线族,然后我们给出一个新规定来调整纬向曲线族:
同一条纬向曲线圈与所有经向曲线有且只有一个交点,这一系列交点与经向曲线族的原点(也就是纬向曲线族的共同的中心)之间的长度都相等(请注意这里用到了前面说的曲线长度的概念)
这样我们重新做一些规定:
1-----同一条纬向曲线圈上所有的点的纬向坐标(红)都相等
2-----同一条经向曲线上所有的点的经向坐标(蓝)都相等
最后就是这个样子:
原点的经向坐标是任意的,但纬向坐标是0(确定的)
这个类似我们地球仪上的经纬网络,经纬网络就是用经纬两个曲线族来规划球面的二维坐标系,只不过坐标的数值设定和我们这里不同
【注】别看我图中画的纬线圈全是椭圆,实际上可能是不规则的光滑封闭曲线形状,别忘了我们是在曲面上说事,我们的曲面可能各种凹凸不平,我画成椭圆只是为了画着省事
另外,原则上来说,当我们选取的小曲面足够小时,它已经近似为平面了,但是我们为了让大家时刻记得我们是在曲面上说事,所以我画的还是曲面(有些夸张)