Josep Carrera - Трехмерный мир. Евклид. Геометрия

• Название: Трехмерный мир. Евклид. Геометрия
• Автор: Josep Carrera
• Издательство: ООО “Де Агостини”
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015

Евклид Александрийский — автор одного из самых популярных нехудожественных произведений в истории. Его главное сочинение — «Начала» — было переиздано тысячи раз, на протяжении веков по нему постигали азы математики и геометрии целые поколения ученых. Этот труд состоит из 13 книг и содержит самые важные геометрические и арифметические теории Древней Греции. Не меньшее значение, чем содержание, имеет и вид, в котором Евклид представил научное знание: из аксиом и определений он вывел 465 теорем, построив безупречную логическую структуру, остававшуюся нерушимой вплоть до начала XIX века, когда была создана неевклидова геометрия.

---

Книга I, предложение 17. Во всяком треугольнике сумма двух любых углов меньше двух прямых углов.

Чтобы правильно понять эту задачу, мы должны внимательно следовать за рассуждениями Евклида. Он хочет доказать, что сумма углов <BAG и <AGB меньше двух прямых углов. Для этого он переносит угол <EGZ, равный <BAG, к углу <AGB и наблюдает, что их сумма будет меньше, чем сумма <AGB и <AGD. Каким образом он переносит угол? Построив треугольник, который будет содержать его. Как? Согласно следующему доказательству:

1. Он делит сторону AG пополам и получает точку Е (Книга I, предложение 10).

2. Соединяет В и Е (постулат 1) и удваивает этот отрезок (постулат 2 и книга I, предложение 2). Получается точка Z.

3. Соединяет ее с точкой G (постулат 1). Евклид получает два равных треугольника (книга I, предложение 4), так как стороны ZE и EG треугольника ZEG равны сторонам BE и ЕА треугольника БЕЛ соответственно, по построению, а углы <GEZ и <АЕВ противоположны вершине и равны (книга I, предложение 15). Следовательно, оба треугольника равны, а угол <EGZ (который добавляется к углу <AGB) равен углу <BAG, что и требовалось доказать.

Евклид получил такой результат, поскольку точка Z располагается внутри угла <AGD. Но не может ли она располагаться и снаружи этого угла? Ответ на этот вопрос, которым Евклид даже не задавался, отрицательный, так как в его геометрии линии не искривляются. Для Евклида это само собой разумеется, но мы увидим, что эти логические лакуны обесценивают некоторые его доказательства.

В постулате 5 Евклид утверждает, что при некоторых условиях две прямые пересекаются: «Существует точка, принадлежащая им обеим». А в случае с окружностями он принимает это за такой очевидный факт, что не считает нужным говорить об этом. Здесь мы опять сталкиваемся со скрытым постулатом.

Равносторонний треугольник, построенный на отрезке АВ в первом предложении, существует, поскольку построение Евклида верно; но оно зависит от существования точки С. В реальности, в которой этой точки нет, не будет и треугольника. От этого зависят многие из первых доказательств Евклида. Возможность построения в «Началах» зависит от возможности построения точек. Ученый определяет необходимые и достаточные условия, при которых две прямые пересекаются, и правильно обозначает точки, появляющиеся таким образом. Но при этом он не говорит, при каких условиях пересекаются прямая и окружность, и следовательно, точки, получающиеся в местах их пересечения, как бы не существуют.

Я прихожу все более к убеждению, что необходимость нашей геометрии не может быть доказана, по крайней мере человеческим рассудком и для человеческого рассудка.

Карл Фридрих Гаусс

Хотя он мог бы сделать это очень просто, достаточно было уточнить, например в случае с окружностями, следующее.

Постулат о пересечении двух окружностей. Если расстояние между центрами двух окружностей меньше половины суммы их диаметров [то есть меньше суммы радиусов этих окружностей], то эти окружности пересекаются в двух точках.

Аналогичным образом можно определить условие, позволяющее выявить существование двух точек, образованных в результате пересечения окружности и прямой: прямая и окружность пересекаются [в двух точках], если перпендикуляр, идущий от центра окружности к прямой, меньше ее радиуса. Но Евклид ничего не говорит по этому поводу.

ПОСТУЛАТ О ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПРЯМЫХ

Все ученые, занимающиеся «Началами», согласны в том, что их структура и, в частности, постулат 5 (мы будем кратко обозначать его П5) принадлежат самому Евклиду. Это знаменитый постулат о параллельных прямых, который в формулировке Евклида гласит, что «в определенных условиях две прямые неизбежно пересекутся». Евклид впервые применяет его только в предложении 29 первой книги. Та часть геометрии, которая не зависит от этого постулата, получила название абсолютной геометрии. Дословно в пятом постулате говорится следующее.

Постулат 5 (П5). Если прямая, падающая на две прямые, образует внутренние и по одну сторону углы, меньшие двух прямых, то продолженные эти две прямые неограниченно встретятся с той стороны, где углы, меньшие двух прямых.

Обычно постулат о параллельных прямых изучается не в этой оригинальной формулировке, а в том виде, в котором его изложил шотландский математик Джон Плейфэр (1748— 1819), профессор математики, а впоследствии и философии в Эдинбургском университете.

Постулат Плейфэра (ПП). В плоскости через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной.

Это утверждение имеет точно такой же смысл, как и постулат Евклида, и подчеркивает, что для П5 необходимы два условия: с одной стороны, существование «прямой, параллельной данной прямой, проведенной через точку, не лежащую на последней», а с другой стороны, эта прямая должна быть единственной. Это существование Евклид дает в предложении 31:

КРИВАЯ И ЕЕ АСИМПТОТА

При помощи пятого постулата Евклид предотвращает асимптотичность «искривления» прямых, как в случае с гиперболой и ее асимптотой (эта предосторожность тем более необходима, поскольку, как мы уже увидели, Евклид не дает полного определения прямой, так что мы не знаем ее полных основных свойств).

В случае с кривыми, например, то, что одна все больше приближается ко второй, не означает, что они обязательно пересекутся, как видно на рисунке: гипербола постепенно приближается к прямой — своей асимптоте,— но никогда не коснется ее.

Книга I, предложение 31. Через точку Р> не лежащую на прямой АВУ всегда можно провести прямую линию, параллельную данной прямой.

Проведем через точку Р линию PQ, перпендикулярную АВ (Q находится на прямой АВ или на ее продолжении, которое можно построить при помощи циркуля и линейки, согласно предложению 12). Таким же образом проведем через Р прямую PR, перпендикулярную PQ. Очевидно, что прямые PR и АВ параллельны, потому что в противном случае они бы пересеклись в некой точке, например R, и мы получили бы треугольник ΔQPR с двумя прямыми углами. Но это невозможно (поскольку противоречит предложению 16 книги I), следовательно, существование параллельной доказано. Теперь мы должны доказать, что эта прямая всего одна. Для этого необходимо прибегнуть к ложному (или идеальному) геометрическому объекту, который уже подразумевает правильность того, что мы хотим доказать. Получается, факт единственности такой параллельной не вытекает ни из какого другого постулата. Как мы увидим дальше, это привело к настоящему перевороту, поскольку вынуждало поставить под сомнение авторитет Евклида.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ЕДИНСТВЕННОСТИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ

Доказать единственность параллельной можно, приняв за истину евклидову геометрию.

Через точку Р, не лежащую на прямой АВ, всегда можно провести единственную прямую, параллельную данной.

Если бы существовали две прямые, параллельные АВ (вводится дополнительная фигура, воображаемая, поскольку основана на ложной предпосылке), это были бы первая (та, которая образует прямой угол с PQ в точке Р) и PR. Следовательно, угол <QPR был бы меньше прямого (книга I, предложение 31), а сумма углов <BQP и <QPR была бы меньше суммы двух прямых углов (общее понятие 4). Согласно пятому постулату прямые PR и АВ пересекаются. Возникает противоречие. Следовательно, необходимо отказаться от гипотезы, по которой PR является параллельной.

НЕЕВКЛИДОВА ГЕОМЕТРИЯ

Говоря о геометрии, невозможно не задаться вопросом: какова же истинная геометрия природы? Несомненно, одна из целей аксиоматизации состоит в том, чтобы уловить истину сущего. Но, возможно, на самом деле мы просто улавливаем истинность того, что представляем, то есть порождения человеческого разума, необязательно совпадающего с реальностью.

Во времена Евклида были две «настоящие» геометрические науки: «геометрия небес», то есть сферическая геометрия, необходимая для понимания астрономических процессов, так занимавших древнегреческих мыслителей, и «геометрия внутреннего двора», которой занимался Архимед, когда, по легенде, римский солдат поразил его своим мечом. Первую сейчас называют эллиптической геометрией. Она проявляется на поверхности земного шара. В этой геометрии точки определяются так же, а прямые — нет. Если вслед за Архимедом принять за прямую кратчайшую линию, соединяющую две точки, то мы заметим, что в эллиптической геометрии эти прямые обязательно пересекутся. Представим себе ситуацию: два человека начинают идти по прямой по земному шару, достигая в итоге исходной точки. Оба опишут максимальную окружность (то есть ту, которая делит сферу на два равных полушария), а максимальные окружности сферы обязательно пересекаются (на рисунке 3 окружности r и r' пересекаются в точке Р). Следовательно, в этой геометрии через заданную точку невозможно провести ни одну прямую, параллельную данной.