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测地线概念。

……在接下来的全部内容中,我们只讨论二维曲面。读者最好在开始阅读前准备一些材料。事实上,有些东西是“用手来理解”的,通过做实验。因此需要:

  • 几张 Bristol 纸板,或稍厚一点的纸。

  • 一卷胶带,最好是有颜色的。

  • 剪刀。

……市面上有一种“布基胶带”特别好用,优点是它可以被撕成任意宽度的条带。

……取一个曲面,比如你汽车的车身。你可以在上面贴一条胶带,设法让它不起皱,始终完全贴合在支撑面上。这样做时,你就在“汽车曲面”上画出了测地线。

……如果你在平面上做这个操作,你会得到……直线。直线是平面的测地线。

……用三条测地线,你就可以在这个平面——“欧几里得曲面”——上画出一个三角形,这个平面上三角形的内角和为180°。

正锥。

现在我们来做一顶“正锥”。为此,剪去一个角度 q,然后按图示把曲面重新粘合。

……用胶带画出两个测地三角形,一个在该正锥顶点 S 的外部,另一个包含这个顶点 S。测量三角形的内角和。于是可以观察到,不包含顶点的那个三角形的内角和仍然等于180°,而另一个三角形的内角和则等于180°+q。

要验证这一点,只需把这个“正锥”重新剪开并摊平。那么就会得到这样:

……于是可以很容易地验证,直线 AH 和 H'B 构成一个角 q。正如人们可以“实验性地”确认的那样,锥面的测地线在摊平之后变成了平面上的直线,这仅仅意味着锥面是一个可展曲面。圆柱面也是如此。

……可展曲面也是一种可以在平面上滚动的曲面(需注意某些事项,对于负曲率的可展曲面,正如后文将会看到的那样)。

……如果用油墨在锥面或圆柱面上画一条测地线,就可以用这个“模版”把它“印”到平面上,此时会得到一条直线。反过来,如果用油墨在平面上画一条直线,并通过让这些物体在平面上滚动而把它“印”到锥面或圆柱面上,印出来的就是……测地线。

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