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四维盒子的展开图

 zhbing 2008-06-17

思考有时候是很有乐趣的,特别是你发现解开一个问题的同时,同样的思路能把其他一连 串问题也解决了。从特殊的情况推广出一个通用的原则,可是不小的本事,也是相当不容易的一件事。它需要一些洞察力,想象力和把看起来不相关的东西扯到一起 的本领。尤其在抽象的问题上,当直觉开始显得吃力的时候,这种推而广之的方式可能会打开从显见通往深奥的道路。柯赫同学诡异的雪花曲线,它怎么会和芝诺的乌龟拉上关系,它俩又如何都能用极限的定义来认识?洞察这一切联系带来的乐趣,大概就像长期忍受便秘之苦终于畅通无阻的快感吧。

这样的乐趣可不能让老书虫们给垄断了,精彩的思想不等于复杂艰涩哈。凭着常识和逻辑,也能解开反常识的问题。比如,这个四维盒子的展开图。

四维盒子?长啥样啊?呵呵,我也没见过——估计地球人都没见过。我想问的是,它拆开 来以后是个啥样。大家都见过被拆开压平的纸箱,从一个三维的立方体变成了一串连在一起的二维正方形。那么,四维的盒子拆开以后,我们就能在三维的空间中看 到它。你有兴趣来告诉我,你会看见什么吗?想一分钟,再往下看,好不好?

 

让我们来做个推而广之的思想实验,从日常生活中人人都看得见的三维盒子开始。要得到一个立方体,需要六个面。这六个面是什么关系呢?

我们观察一个正方形,把它叫做“A”。A是一个二维的物体,让它沿着第三维平移到A’处,它所经过的就是一个三维的空间。把这个空间封闭起来,就成了一个盒子。那么封闭需要几个面呢?观察上面左图,因为AA’两条相互平行的边之间要一个面来封(叫做“B”),A有四条边,所以一共需要四个B。哇哈,一个起始面,一个截止面,四个封闭面,这就是一个立方体。

把标注过的三维盒子拆开,我们可以见到这样的平面图:起始的A各条边都和一个B相连,截止的A’“挂”在这个对称图形的任意一个B上。 

 

好了,可以开始联想了。三维物体是用二维物体封闭起一段空间,那么四维物体就是用三维物体来封闭四维空间。所以四维盒子的各个“面”应该是立方体。剩下的问题是我们需要几个立方体,怎样组合?

如果在假想的第四维上平移,我们需要一个起始立方体A,一个截止立方体A’,以及若干用于封闭的立方体B。在AA’两个相互平行的面之间需要一个BA有六个面,所以总共要六个B。看看上面的盒子展开图,四维盒子就不难拆开了:一个A在中央,各面粘上一个B,在这个对称物体的任意一个B上粘个A’,就成了!

怎么样,和你想的一样吗?整个思路并不复杂。就像三维盒子可以有不同形式的展开图, 这个答案不是唯一的。其它的情况对想象力的挑战更大,你有兴趣做个不同的展开图不?下次你去高维度大集合星球旅游,别忘了带上这个纸箱皮,帮我验证一下是 不是可以折成个四维的盒子。多谢多谢:D

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