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再读《几何原本》第一卷(二)

再读《几何原本》第一卷(二)

作者: aubell | 来源:发表于2017-09-03 23:04 被阅读1163次

    只有先暂且放下定义、公设、公理,才知道何时需要它。先按照直观,讨论各个命题,需要的时候,再添加公理和公设。

    相等关系

    从命题一到命题十六,大部分命题讨论相等关系。尤其是三角形全等理论,为第三部分用到的“全等”提供理论基础。

    命题一:已知线段,可以其为一边作正三角形。

    一作等边三角形

    从上图看,两圆在给定线段的下侧还有一个交点。实际上,还可作出另外一个正三角形。

    隐含前提:

    • 不共线的三点确定一个平面
    • 两点确定一直线
    • 圆是连续且封闭的
    • 两圆相交的条件:圆心的距离小于半径之和
    • 相等可传递

    需要定义:
    平面,直线,点,
    线段,
    圆,半径,圆心,交点,
    线段相等,
    正三角形

    因为需要解释的太多,所以,第一命题干脆不解释什么。因为这个时候,距离圆的专题尚远。

    这个命题直接演示了公理一,相等的传递性。

    希尔伯特的解决方案是:直接假设线段可迁移,那么,就不必在最开始就使用圆。

    第一命题,在第一卷中很重要,那么概括为“三光日月星”不为过。

    命题二:给定一个端点,存在线段等于已知线段。

    二定一端移线段

    既然可以根据给定的圆心和半径做圆,那么,就可用圆规在直线上直接截取线段。欧氏第二命题为要复杂化?也许,仅仅为了演示线段的加减运算,以及等量的传递,证明的一般思路。

    命题三:给定一个端点以及方向,存在唯一的线段等于已知线段。

    三定射线移线段

    这两个命题给出了线段迁移的可能性以及具体方法,演示了线段可以加减,线段的等式也可以加减。演示了公理二和公理三。
    需要定义:直线上点的一侧

    这三个命题需要有公理一、二、三,因此,就给出了那些公理;需要有诸如圆、直线的定义,因此,才有了那些定义。

    古人也希望定义越少越好,尽量不增加新的概念。

    命题四:三角形SAS全等。

    第四边角边全等

    这个命题应该算做公设。同时,演示了“全等”的概念,彼此能够重合,要求了角可以迁移,三角形可以迁移。
    需要定义:角,三角形,三角形全等,角相等

    这个命题用“两水夹明镜”概括。

    命题五:等腰三角形两底角相等。

    第五等腰对等角

    原本上此命题的证明很巧妙。新构造了全等。
    但是,按照这个逻辑,这个三角形实际同它的镜像全等,那么就不需要再构造一个三角形。

    第五第六两个命题,可称“双桥落彩虹”。因为第五命题也叫“驴桥”,也叫“庞斯命题”。

    命题六:有两个角相等的三角形是等腰三角形。

    第六等角对等腰

    这两个命题是成对出现的,互为逆命题。在数学中,原命题成立,逆命题未必成立。如果也成立,纯属巧合。

    命题像

    “如果甲是乙的爸爸,那么乙是甲的孩子。”

    那样简单,逆命题都不一定成立,为什么呢?

    这个命题的逆命题是

    “如果乙是甲的孩子,那么甲是乙的爸爸。”

    逆命题不能恒成立,因为甲还可能是乙的妈妈。很多时候都这样,原命题成立,但逆命题不能恒成立。

    但如果为两个命题给定一个公共的前提:甲为男性。那么,两个命题又能等价的转化了。

    讲逻辑就要考察原命题、逆命题两个方向。有时通过考察否命题、逆否命题来完成。找到命题成立的充分条件,必要条件,充分必要条件。

    诡辩的技巧之一就是,利用听众来不及考察,或者没有能力考察而实现瞒天过海。

    因此,要勤于思考。不诡辩,也能识别诡辩。

    希尔伯特证明命题六是在完成外角定理证明之后。这说明《原本》的证明存在特殊的技巧。欧几里得隐含的使用了顺序公理,隐含的定义了角的内外,角的大小。显示的使用了“整体大于部分”的公理,而现代人对这个很挑剔,认为“整体”和“部分”是看图说话,依据不够充分。

    到命题六,所有五个公理都已经使用。公设使用了三个。

    目前,公设和公理这10个前提条件,只有第四公设和第五公设还没有出现。

    命题七 三角形是一种稳定的物理结构。

    第七三角真稳定

    三角形结构,广泛应用于建筑,正是由于其稳定性。多数情况下,建筑中只要出现了四边形结构,就会用三角形来支撑在内部。
    相对四边形以上的多边形,三角形是稳定的。受到外力不容易变形。

    命题八 三角形SSS全等。

    欧几里得利用三角形的稳定性证明了SSS全等。希尔波特采用了迁移的方法证明。这表明,证明SSS全等不是一件容易的事情。
    这是由于稳定性得出的推理。三边相等,就不会变形了,主要是指,角度不会改变。因此,会全等。

    第八全等边边边

    命题九 可作射线平分已知角。

    九作一角平分线

    以角的顶点为顶点,作等腰三角形;然后在该等腰三角形的底上,向角的内部做等边三角形;最后,连接角的顶点和等边三角形在角内的顶点。
    其实,向角内作等腰三角形,效果也一样。但是,那样就放弃了使用第一命题的机会,且要增加很多语句来证明。
    于是,这个由等腰三角形和等边三角形拼起来的筝形,发挥了重要的作用。在下面几个命题中,用的是同样的方法来作。因为,等腰三角形是轴对称图形。

    命题十 线段中点存在。

    第十线段之中点

    虽然方法一样,但这一次,作者一定坚持用等边三角形,上下两个都是等边三角形。因此,得到了一个菱形。

    菱形是很特殊的形状,既属于平行四边形,也属于筝形。

    欧几里得利用了命题一,轻而易举的构造全等,省略很多证明的力气。
    看希尔波特对“线段中点存在”的证明,用到了“运动”的观点,竟然让一个点在直线上运动,把一个三角形的内角活活的变成了外角,这想象力超乎凡人的想象。
    由此可以知道,每一个看似平常的命题,来历都很曲折。

    命题十一 过直线上一点,可作该直线的垂线。

    十一线上点垂线

    这个命题,我想到的古人诗句是“大漠孤烟直”,因为是从地面向上的感觉。

    命题十二 过直线外一点,可作该直线的垂线。

    十二线外点射影

    直角的定义是:一个角等于它的邻补角时,它就叫做直角。
    因此,垂直也是在讨论一种相等关系。这两个命题同样用到了命题一,以及等腰三角形的性质。

    也可以说从第五命题到第十二命题,一直讨论的是等腰三角形以及它的顶角平分线,底边上的中线、中垂线、高,这些重合在一起的同一直线。

    第十二命题,配诗“长河落日圆”。

    命题十三 两直线相交,邻角和为两直角。

    十三定义邻补角

    在希尔伯特体系中,先定义邻补角,共顶点,共一边,另一边共一直线。
    然后才定义直角:一个角和它的邻补角合同的,叫做直角。
    那么,根据这个定义,本命题是不需要证明的。

    而欧几里得先定义直角,“当一直线和另一直线相交的邻角彼此相等时,这些角的每一个叫做直角”,这句定义,应该说了四个角相等。他当时的感觉也许是这样:本次两直线a,b相交得到的四个角彼此相等,下次直线c,d相交得到的四个角也彼此相等,但两次得到的直角相等吗?该如何证明?

    似乎不容易证明,因此,插入第四公设“所有的直角都相等”。

    命题十四 如果一个角与其外部的另一角共顶点且共一边,且两角和为平角,则它们的另一边共线。

    十四邻补证共线

    希对邻补角的定义是:

    两角共顶点,共一边,且不共的一边合成一条直线,叫做邻补角。

    根据这个定义,上面的命题是不需要证明的。因此,这两个命题实际上是定义,定义了邻补角。

    这个命题可以用来证明三点共线。
    (目前,证明共线的方法有:Playfair公理,面积法,角度法。)

    第四公设,似乎也有深意,需细细考察。

    命题十五 对顶角相等

    十五対顶角相等

    对顶角是同一个角的两个邻补角,自然会相等。因为定义的方式不同,欧在这里用了第四个公设。而希则把第四公设当成定理证明了。

    至此,讨论的都是相等的关系。
    至此,除了第五公设,所有的前提条件都已按照需要出场过。

    等腰三角形所有的内角基本讨论结束了:顶角的平分线讨论过了,底角相等讨论过,连内角的对顶角也讨论过了。外角的对顶角还是外角,彼此也相等。

    只有外角与内角之间的关系没有讨论。因此,命题十六开启外角讨论模式,用一个不等式结束第一部分。

    命题十六 三角形的一个外角大于任何一个与其不相邻的内角。

    十六外角大内对

    这个命题是大名鼎鼎的外角定理。希安排在第22个命题。希的证明看上去更加精巧和严谨。见《希尔伯特几何基础》ISBN 978-7-301-14803-7 第17页。看文字为主,图形似乎有些微小出入,看不准。

    欧的证明,微微让人觉的心虚的地方就是,不知道那个点会落在线的哪一侧,万一落点画的不准确,结论可能就不保险了。几何证明需要图形直观,但证明不能依靠看图说话。

    希的证明,因为有顺序公理做保证,感觉踏实许多。

    1-16命题导图:

    1-16命题思维导图

    命题1-16精粹:
    三角形全等
    等腰三角形
    Pasch公理(希)
    外角定理

    最重要的是:外角定理

    命题1-16

    从9-15命题实际上利用了一个等腰三角形和一个等边三角形拼成的筝形,完成了证明,现代看来就是等腰三角形的性质:顶角平分线、底边上的中线、底边的中垂线、底边上的高重合在同一条直线上。

    1-8命题已经给出了关于三角形全等的多数命题,为最终命题47勾股定理的证明提供了部分依据。

    命题47中,勾股定理的证明需要的另一个依据是:平行线之间的距离处处相等。因此,这一部分以外角定理做结束,准备开始探索平行线的相关信息。

    外角定理是第一部分的结论:

    命题十六(外角定理) 三角形的一个外角大于任何一个与其不相邻的内角。

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