什么是超級立方體,HyperCube


我試試用我的方式說說如何構造n維空間吧。

n維空間在n大於3后,說要畫出來,有點難以想象。
但從數學的角度看,高維空間這個概念還算比較普通、容易理解的。

與其解釋,不如快快開始。我選擇用圖(Graph)的方法來描述想說的東西,而且,我選的是特殊的某類空間,並且不是大多數人通常理解的空間。我選的空間的各個維度上只有一個比特——值只能在0和1之間取。數學符號表示是

下面會看到,這個模型會讓人想到信息論里格雷碼。但那是另一碼事;我事實上忘了這種圖論模型的名字,只是知道它而已。這里選擇它,只是因為它的空間非常簡單,我覺得應會比較容易感受維度的擴張如何進行。

首先希望大家放下對維度的先入之見。此處的維度,僅是@Ent 所說的自由度,並非大家通常理解的坐標軸的延伸方向。

開始吧。
首先是,

零維空間,沒有維度——也即連一個可以取0-1值的比特都容不下。

但給它擴張一個維度后,

就有點意思了。原先的一個點獲得了一個方向分成了兩頭。此時圖示對應的空間可以容納一個取0-1值的比特,這個空間即成為一維的空間。

再擴張,

這是空間可以容納兩個比特了,也即可以表示種狀態。在該圖里,開始可以看到維度是如何擴充的了:圖的底下那條邊,正是前一張圖;將該條單邊做一份拷貝,然后將原圖和拷貝的兩個頂點連接起來,就得到了這張圖。

再按上述的方式擴張一次,

此時,該圖擁有了個頂點,可表示的狀態也增長到這個數目;它所對應的空間擴張成了三維的,能容納三個在0和1之間取值的比特。這里有個比較有趣的現象:
許多人傾向將這個圖看作是立方體,哪怕他只是一個圖(Graph)。

再來,應該是四維空間。大家可能都見過很多次的四維空間的標志物:

即這個問題的首頁圖:超立方體(Hypercube)。
事實上確實會得到超立方體,

(解釋一下,首頁圖片上的這個圖形也是兩個立方體的八個頂點互相連接,只不過下面這個圖是兩個大小相同的立方體,而上面那個看起來一大一小)
如果你眼力比較好,可以看出這個圖跟本問題的首頁圖是等價——妥妥的同一回事。該有的點都有,點和點之間該有的邊都有,不該有的邊都沒有。這次的擴張,和前面的操作完全一樣:
先取上一張圖的原份,做一份拷貝;再將拷貝和原份的對應點連接起來,得到下一張圖。
新圖對應的空間,再次多了一個比特;同時能表示的狀態翻了一倍。

上面各個過程,進行的操作是一樣的:對空間的擴基(Extending basis),將n-1維空間升級為n維空間。由數學歸納法,事實上我們可以得到任意維的空間。只是,我取的空間是特殊的。
但也不要認為這樣的空間離歐氏空間很遠——這種由比特組成的空間 (我忘了它的正式稱謂) 的坐標值只能在兩個離散值間取;假若各個坐標的取值都能取實數,那它就是歐氏空間

就介樣,以后別說「畫不出n維空間」這樣的話了


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