巴黎新凯旋门中的数学

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  同学们,在科幻作品中,是不是经常能听见“二维空间”、“三维空间”“四维空间”?所谓二维,就是一个平面上的内容,通常可以理解为具有长度、宽度的图形,比如正方形. 三维空间,就是我们现在生活的世界,通常理解为具有长度、宽度、高度的物体,比如正方体. 那么四维空间是什么样的呢?
  为庆祝法国大革命200周年,法国在巴黎建造了一栋特别的建筑——一座庞大的拱门,它被称为新凯旋门. 该拱门重量达到30万吨,庞大到连巴黎圣母院都能安然穿过. 它的神奇之处不仅仅是庞大,而是它的一个绰号——通往异度世界的大门. 如果你有机会去新凯旋门参观并认真地数出其边的数量,你会发现是32条边. 它是一个四维立方体!
  它有何神奇之处呢?
  在学习了平面直角坐标系之后,我们知道,在二维的平面世界中,我们只需要两个坐标就能确定一个位置. 比如,要描述某一个边长为1的正方形的话,要说出4个顶点的位置,分别为(0,0)、(1,0)、(0,1)和(1,1). 这样我们联想到,如果要描述棱长为1的正方体,则每个顶点还需要表示高度的数据,即需要引入第三个坐标. 某一个立方体的8个顶点坐标可以表示为(0,0,0)、(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)、(1,1,0)、(1,0,1)、(0,1,1)以及(1,1,1). 这些坐标数字便是描述形状的密码.
  由此,要描述一个四维立体,我们只需增加第4个坐标即可. 比如,一个四维立方体包含16个顶点,由(0,0,0,0)起始,向(1,0,0,0)和(0,1,0,0)延伸,并一路抵达最远的(1,1,1,1). 有了这些坐标数字,我们无需真正目睹它,便可以对其进行分析和探索.
  一个四维立方体中共有多少条边?我们知道,每条边都对应着2个顶点,而这2个点的坐标中的数字只有一个不同. 每个点由4条边交汇而成,其中每条边都对应一位坐标数字的改变. 因此,四维立方体上总共有16×4条边. 当然,这一计算并不正确,因为每条边都被计算了2次:先从它的一个顶点算过去,之后又从另一个顶点算回来. 因此,四维立方体的边的总数量应该是16×4÷2=32(条).
  由此,我们得出结论,新凯旋门是一个超立体——一个四维立体!?当然,它并非是一个真正的四维立体,毕竟我们生活在三维的世界中. 不过,就像我们能在只有长度、宽度的纸上画出具有高度感的立体三维图形一样,这座新凯旋门是四维立体投射在我们三维世界的一个幻影.
  去参观过拉德芳斯区新凯旋门的人都说,总能感到那里有一阵阵可怕的强风,通过中心的拱门仿佛要把人吸进去一样. 这种强风似乎在向我们揭示,在巴黎建造这样一个超立体的幻影,就像打开了一扇通往异度空间的大门.
  四维空间不是尽头. 我们可以继续推进至五维、六维甚至更高维度,并创建出这些世界中的超立方体. 数学赋予我们第六感,使我们能够考虑这些超出三维宇宙边界以外的形状.
  
  (作者单位:江苏省常熟市古里中学)
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