Poincaré圆盘模型:一个神奇的双曲世界

【图学习、双曲几何空间】LKGR:Modeling Scale-free Graphs with Hyperbolic Geometry for Knowledge-aware 本篇文章是香港中文大学和华为诺亚实验室联合发布的一篇基于将user-item-KG组合起来形成三部图,在双曲空间依靠洛伦兹模型进行图表征学习的模型,此外,文章还提出了一个知识感知的注意力模型来自动度量不同信息的贡献。 阅读详情
AI摘要

本文介绍了Poincaré圆盘模型这一非欧几何的重要概念。在这个双曲几何模型中,物理定律和几何特性与我们熟知的欧氏空间截然不同,如两点之间的最短路径是一条弧线而非直线,且三角形内角和小于180度。文章还探讨了该模型如何挑战人们对空间的认知,并提出其作为科幻小说创作背景的可能性。

    今年恰逢PKU数学文化节十周年,其间开办的很多讲座我都去了。去听讲座的人好像都是数院的,我恐怕是唯一一个中文系的。考虑到我和中文系的MM没有共同话题,因此每一次听讲座时我都会顺便四处打望,看看有没有数院的美女,下来可以和她“交谈”一下。有趣的是我的做法与常人所想的恰好相反:据说数院的已经盯上中文系的MM了,而我一个中文系的竟然反过来去找数院的MM。
    昨天有一个关于非欧几何的讲座,这是目前所有的讲座中最为精彩的一次。讲座里提到了Poincaré的一个双曲几何模型,感觉非常有意思,在这里和大家分享一下。
    在所有的双曲几何模型中,Poincaré的圆盘模型可能是最有趣的一个。这个双曲世界存在于一个有限的平面区域里,整个世界限制在一个单位圆的范围内。这个世界中有两个最重要的物理定律:一,假如某物体X离原点O距离为d,那么该物体的温度为1-d^2;二,物体的大小与温度成正比。这样,假如某个人从这个世界的中心走向边缘,那么他的温度会从1慢慢变成0,同时整个人慢慢变小。他自身大小改变的同时周围的物体也等比例地放大或缩小,而这个世界里的人视野有限,看不见远处的东西,因此他不会觉得自己变小了或者变大了。因此,在这个世界里,物理学家们能够很轻易地发现第一定律,但要发现第二定律则非常具有挑战性,探索第二定律的过程必然很曲折,并且很可能出现哥白尼时代的故事。
    对于我们来说,这个世界是有界的;但对于这个世界中的人来说,这个世界是无穷大的。因为离原点越远,人就越小,于是相对来说他们所看到的空间也就越大。当人的位置趋于边界时,物体大小趋于0,此时的空间将变得无穷大,因此这个世界中的物体永远无法到达边界。同时,离原点越远的话越接近“绝对零度”,这将非常不适宜生物的生存,因此人们大多居住在原点,离原点越远城市规模越小,更远的地方则完全没有开发过,只适合于疯狂的冒险家进行极限运动。于是这个世界中的物理学家很自然地得到这个结论:世界是无穷大的。
    下面就神奇了。现在,考虑某个人想从A点走到B点。如果按照红色的线段直直地走过去,所走的路程并不是最短的,因为这条路线离原点较远。聪明的人会发现,我先往原点方向走一点,然后再到B点去,这样走的路程更短一些。我们猜想,最短路线很可能是一条偏向于原点的弧线(就好像原点把直线段“吸”过去了一样)。之所以产生这种奇怪的现象是因为,离原点越远物体就越小,人的步子也变小了,相对来说实际空间就变大了。因此,对我们来说距离相等的两点,对他们来说离原点越远其实际距离越大。因此,我们有必要重新定义这个双曲世界中“距离”的概念。由于物体大小与1-d^2成正比,因此我们可以定义,如果在离原点距离为d的位置上有一个充分小的位移,在我们看来距离为Δx,那么在这个世界中的实际距离就是Δx/(1-d^2)。这样就可以算出,从A到B的最近路线是一条垂直于边界的圆弧(蓝色的那条)。于是在这个世界中,“直线段”已经不再是我们熟悉的直线段了,而是一条条的弧线(还包括整个圆的直径)。而我们眼中的直线,在他们看来就是曲线。
      
    这个世界中的几何满足欧式几何的前面四个公设,但不满足第五公设。比如,两点确定一条直线,因为过两点的圆弧只有一条垂直于这个世界的边界;而直线可以无限延长,因为离边界越近两点的实际距离越大,你永远走不到尽头。但是,这个世界不满足第五公设。从图2可以看到,过一点可以作无数条直线不与已知直线相交;从图3可以看到,三角形的内角和小于180度。下面这幅图片可以帮助你更好地理解这个双曲模型。这是该平面上的一个三角形剖分,里面的所有三角形都是等边三角形,而且所有这些三角形都是一样大的。你可以看到7个等边三角形共用一个顶点,这说明三角形的内角和小于180度。

      

    另外值得一提的是,这个构想很适合写成一篇科幻小说。记得大刘的那篇科幻吗?一群电子器件诞生在某颗星球的内核,然后探索物理定律,历经重重困难,最终冲破了它们那个世界的“天然外壳”,看到了外面的世界,并相信我们整个宇宙也处于一个更大的星体内。这个双曲几何模型也很适合写出这样的小说来,比如以物理史书的方式叙述从古至今若干个传奇人物的故事,讲述他们是如何从一些奇怪的现象出发,通过各种试验证明自己的猜想,顶住社会各方面的压力,执著地探索宇宙的奥秘。小说中的人物可以带着读者一起进行探索,最后才告诉读者这个宇宙的本质是什么。

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