Недавно на Хабре в одной статье упомянули про вопрос «Что было бы с миром, если бы число Пи равнялось 4?» Я решил слегка поразмышлять на эту тему, используя некоторые (пусть и не самые обширные) знания в соответствующих областях математики. Кому интересно – прошу под кат.
Чтобы представить такой мир, нужно математически реализовать пространство с иным соотношением длины окружности к ее диаметру. Это я и попытался сделать.
Оговорим сразу, что рассматривать я буду только двумерные пространства. Почему? Потому что окружность, собственно, определена в двумерном пространстве (если рассмотреть размерность n>2, то отношение меры (n-1)-мерной окружности к ее радиусу даже не будет константой).
Так что для начала я попытался придумать хоть какое-то пространство, где Пи не равно 3.1415… Для этого я взял метрическое пространство с метрикой, в которой расстояние между двумя точками равно максимуму среди модулей разности координат (т.е. расстояние Чебышева).
Какой же вид будет иметь единичная окружность в этом пространстве? Возьмем точку с координатами (0,0) за центр этой окружности. Тогда множество точек, расстояние (в смысле заданной метрики) от которых до центра равно 1, есть 4 отрезка, параллельных осям координат, образующих квадрат со стороной 2 и с центром в нуле.
Да, в некоторой метрике это — окружность!
Посчитаем здесь Пи. Радиус равен 1, тогда диаметр, соответств��нно, равен 2. Можно также рассмотреть определение диаметра как наибольшего расстояния между двумя точками, но даже так оно равно 2. Осталось найти длину нашей «окружности» в данной метрике. Это сумма длин всех четырех отрезков, которые в данной метрике имеют длину max(0,2)=2. Значит, длина окружности равна 4*2=8. Ну а тогда Пи здесь равно 8/2=4. Получилось! Но нужно ли сильно радоваться? Результат этот практически бесполезен, ведь рассматриваемое пространство абсолютно абстрактно, в нем даже не определены углы и повороты. Вы можете представить себе мир, где по факту не определен поворот, и где окружностью является квадрат? Я пытался, честно, но у меня не хватило воображения.
Осознав, что я получил хоть и интересный, но абсолютно бесполезный (в смысле понимания строения мира с иным числом Пи) результат, я решил попытаться построить модель пространства с определенными понятиями углов и поворотов (то есть пространство с заданным невырожденным скалярным произведением). Разумеется, мне хотелось, чтобы метрика осталась метрикой в классическом понимании этого слова (т.е. чтобы расстояние между двумя точками было вещественным и неотрицательным). Но тогда скалярное произведение должно быть положительно определено, откуда вытекает, что пространство должно быть евклидовым. Или хотя бы локально евклидовым, то есть многообразием. Можно не забивать себе голову всеми этими понятиями, а просто читать дальше :)
Признаюсь, я убил некоторое время, пытаясь придумать хитрую евклидову метрику с нехорошим числом Пи. Я считал длины получившихся «окружностей», вспоминая различные интегральные формулы, пока до меня не дошел очевидный факт: если пространство евклидово, то заменой координат можно получить наше обычное пространство
, в котором число Пи известно. Значит и в другом евклидовом пространстве оно не изменит своего значения. Печаль.
Раз нам по-прежнему желательно наличие углов и поворотов, но евклидово пространство нас не устраивает, попробуем рассмотреть псевдоевклидово типа (1,1) (т.к. нас интересуют только двумерные). От обычного евклидового пространства оно отличается тем, что в нем квадрат расстояния между двумя точками (а, как следствие, и скалярное произведение двух векторов) может быть отрицательным. Чтобы особо не мучиться, я взял метрику в которой скалярное произведение в декартовых координатах будет иметь вид
. Какой же вид примет окружность единичного радиуса? Это будет множество точек, задаваемых уравнением 
, то есть… Гипербола.
Да-да! В определенном пространстве и это — окружность.
Радиус равен 1, а вот с нахождением длины этой «окружности» есть некоторые сложности. После некоторых поисков информации в интернете, я пришел к выводу, что в псевдоевклидовом пространстве такое понятие как «число Пи» вообще не может быть определено, что, безусловно, плохо.
Если кто-нибудь в комментариях расскажет мне, как формально считать длину кривой в псевдоевклидовом пространстве, я буду очень рад, ибо моих познаний в дифференциальной геометрии, топологии (а также усердного гугления) для этого не хватило.
Не знаю, можно ли писать о выводах после таких не сильно продолжительных исследований, но кое-что сказать можно. Во-первых, попытавшись представить пространство с иным числом Пи, я понял, что оно будет слишком абстрактно, чтобы быть моделью реального мира. Во-вторых, когда если попытаться придума��ь более удачную модель (похожую на наш, реальный мир), выходит, что число Пи останется неизменным. Если принять за данность возможность отрицательного квадрата расстояния (что для обычного человека — просто абсурд), то Пи не будет определено вовсе! Все это и наводит на мысль, что, возможно, мира с другим числом Пи и вовсе быть не могло? Ведь не зря же Вселенная именно такая, какая она есть. А может быть, это и реально, только обычной математики, физики и человеческого воображения для этого недостаточно. А вы как считаете?
Upd. Узнал точно. Длина кривой в псевдоевклидовом пространстве может быть определена только на каком-либо его евклидовом подпространстве. То есть, в частности, для получившейся в попытке N3 «окружности» вовсе не определено такое понятие как «длина». Соответственно, Пи там тоже посчитать нельзя.
Чтобы представить такой мир, нужно математически реализовать пространство с иным соотношением длины окружности к ее диаметру. Это я и попытался сделать.
Попытка №1.
Оговорим сразу, что рассматривать я буду только двумерные пространства. Почему? Потому что окружность, собственно, определена в двумерном пространстве (если рассмотреть размерность n>2, то отношение меры (n-1)-мерной окружности к ее радиусу даже не будет константой).
Так что для начала я попытался придумать хоть какое-то пространство, где Пи не равно 3.1415… Для этого я взял метрическое пространство с метрикой, в которой расстояние между двумя точками равно максимуму среди модулей разности координат (т.е. расстояние Чебышева).
Какой же вид будет иметь единичная окружность в этом пространстве? Возьмем точку с координатами (0,0) за центр этой окружности. Тогда множество точек, расстояние (в смысле заданной метрики) от которых до центра равно 1, есть 4 отрезка, параллельных осям координат, образующих квадрат со стороной 2 и с центром в нуле.
Да, в некоторой метрике это — окружность!
Посчитаем здесь Пи. Радиус равен 1, тогда диаметр, соответств��нно, равен 2. Можно также рассмотреть определение диаметра как наибольшего расстояния между двумя точками, но даже так оно равно 2. Осталось найти длину нашей «окружности» в данной метрике. Это сумма длин всех четырех отрезков, которые в данной метрике имеют длину max(0,2)=2. Значит, длина окружности равна 4*2=8. Ну а тогда Пи здесь равно 8/2=4. Получилось! Но нужно ли сильно радоваться? Результат этот практически бесполезен, ведь рассматриваемое пространство абсолютно абстрактно, в нем даже не определены углы и повороты. Вы можете представить себе мир, где по факту не определен поворот, и где окружностью является квадрат? Я пытался, честно, но у меня не хватило воображения.
Попытка №2.
Осознав, что я получил хоть и интересный, но абсолютно бесполезный (в смысле понимания строения мира с иным числом Пи) результат, я решил попытаться построить модель пространства с определенными понятиями углов и поворотов (то есть пространство с заданным невырожденным скалярным произведением). Разумеется, мне хотелось, чтобы метрика осталась метрикой в классическом понимании этого слова (т.е. чтобы расстояние между двумя точками было вещественным и неотрицательным). Но тогда скалярное произведение должно быть положительно определено, откуда вытекает, что пространство должно быть евклидовым. Или хотя бы локально евклидовым, то есть многообразием. Можно не забивать себе голову всеми этими понятиями, а просто читать дальше :)
Признаюсь, я убил некоторое время, пытаясь придумать хитрую евклидову метрику с нехорошим числом Пи. Я считал длины получившихся «окружностей», вспоминая различные интегральные формулы, пока до меня не дошел очевидный факт: если пространство евклидово, то заменой координат можно получить наше обычное пространство
, в котором число Пи известно. Значит и в другом евклидовом пространстве оно не изменит своего значения. Печаль.Попытка №3.
Раз нам по-прежнему желательно наличие углов и поворотов, но евклидово пространство нас не устраивает, попробуем рассмотреть псевдоевклидово типа (1,1) (т.к. нас интересуют только двумерные). От обычного евклидового пространства оно отличается тем, что в нем квадрат расстояния между двумя точками (а, как следствие, и скалярное произведение двух векторов) может быть отрицательным. Чтобы особо не мучиться, я взял метрику в которой скалярное произведение в декартовых координатах будет иметь вид
. Какой же вид примет окружность единичного радиуса? Это будет множество точек, задаваемых уравнением , то есть… Гипербола.Да-да! В определенном пространстве и это — окружность.
Радиус равен 1, а вот с нахождением длины этой «окружности» есть некоторые сложности. После некоторых поисков информации в интернете, я пришел к выводу, что в псевдоевклидовом пространстве такое понятие как «число Пи» вообще не может быть определено, что, безусловно, плохо.
Если кто-нибудь в комментариях расскажет мне, как формально считать длину кривой в псевдоевклидовом пространстве, я буду очень рад, ибо моих познаний в дифференциальной геометрии, топологии (а также усердного гугления) для этого не хватило.
Выводы:
Не знаю, можно ли писать о выводах после таких не сильно продолжительных исследований, но кое-что сказать можно. Во-первых, попытавшись представить пространство с иным числом Пи, я понял, что оно будет слишком абстрактно, чтобы быть моделью реального мира. Во-вторых, когда если попытаться придума��ь более удачную модель (похожую на наш, реальный мир), выходит, что число Пи останется неизменным. Если принять за данность возможность отрицательного квадрата расстояния (что для обычного человека — просто абсурд), то Пи не будет определено вовсе! Все это и наводит на мысль, что, возможно, мира с другим числом Пи и вовсе быть не могло? Ведь не зря же Вселенная именно такая, какая она есть. А может быть, это и реально, только обычной математики, физики и человеческого воображения для этого недостаточно. А вы как считаете?
Upd. Узнал точно. Длина кривой в псевдоевклидовом пространстве может быть определена только на каком-либо его евклидовом подпространстве. То есть, в частности, для получившейся в попытке N3 «окружности» вовсе не определено такое понятие как «длина». Соответственно, Пи там тоже посчитать нельзя.
