Геометрия Лобачевского

Геометрия Лобачевского

Файл : ref-17290.doc (размер : 3,048,960 байт)

Геометрия Лобачевского.

Исаев Андрей.

Гурьев Дмитрий.

«Начала» - величайший памятник деятельности Евклида, в котором он собрал воедино всё то, что сделали его предшественники в области геометрии и «словесной алгебры». Но не только в этом его заслуга. Он также внёс много своего, нового, оригинального. Вплоть до XX в. геометрию в школах преподавали по учебникам, в которые были включены евклидовы «Начала», переведённые и литературно обработанные.

Однако не всё написанное Евклидом удовлетворяло живших после него математиков. Великолепной была его попытка дать аксиоматическое изложение геометрии, т.е. сформулировать небольшое количество аксиом, из которых логически выводятся все теоремы геометрии. Список аксиом сразу же подвергся критике, некоторые из них оказались совсем не нужными, например, что «все прямые углы равны между собой».

Так называемый пятый постулат Евклида вызвал особые нарекания математиков. Именно эта аксиома, как показала историческое развитие науки, содержала в себе зародыш другой, неевклидовой геометрии.

Вот о чём говорится в пятом постулате: Если две прямые a и b образуют при пересечении с третьей прямой внутренние односторонние углы α и β, сумма величин которых меньше двух прямых углов (т.е. меньше 180˚; рис 1), то эти две прямые обязательно пересекаются, причём именно стой стороны от третьей прямой, по которую расположены углы α и β (составляющие вместе не менее 180˚).

Данное утверждение заметно сложнее остальных аксиом. Потому-то пятый постулат часто замеряют на равносильную аксиому параллельности: к данной прямой через данную вне её точку можно провести не более одной параллельной прямой.

Вообразим. Что мы взяли две точки А и В на расстоянии 1 м друг от друга и провели через них две прямые a и b, причём так что a образует с прямой АВ равен 89˚59′59″ (рис. 2). EMBED PBrush Иначе говоря, сумма двух внутренних односторонних углов α и β всего на одну угловую секунду меньше 180˚. Продолжим прямые α и β, пока они не пересекутся в точке С. В результате получится прямоугольный треугольник АВС, у которого угол А прямой, угол при вершине С равен γ и составляет 1 угловую секунду. Катет АС этого треугольника имеет длину с/tg γ, где с = 1 м. С помощью калькулятора нетрудно подсчитать, что 1/tg γ ≈ 2,06 • 105 . Следовательно, длина катета АС составляем приблизительно 2,06 • 105 = 206 км.

Угол в 1 угловую секунду достаточно ощутим (например при астрономических расчётах). Но проверить две указанные выше прямые α и β пересекаются на расстоянии206 км от прямой АВ, совсем не просто. Ведь изготовить плоский лист бумаги и линейку длиной более 200 км не предоставляется возможным. Использовать оптические приборы? Но тогда надо будет добавить ещё один постулат: свет распространяется по прямой (а это уже физика). А если сумма углов α и β отличается менее чем на 1 угловую секунду? Как видит, пятый постулат Евклида не так уж прост и убедителен.

Сложность формулировки пятого постулата и его неубедительность привели к тому, что очень многие математики, жившие после Евклида, старались исключить этот постулат из списка аксиом, т.е. доказать его как теорему с помощью остальных аксиом Евклида. В «сражениях» с пятым постулатом особенно далеко продвинулись Ламберт, Саккери и Лежандр.

Итальянец Саккери рассматривал четырёхугольник с тремя прямыми углами (рис. 3). Четвёртый угол (обозначим его φ) мог быть прямым, тупым или острым. Саккери установил, что гипотеза прямого угла, т.е. утверждение о том, что четвёртый угол φ всегда равен 90º, позволяет доказать пятый постулат. Иначе говоря, гипотеза прямого угла представляет собой новую аксиому, пятому постулату.

Гипотезу тупого угла, допускающую существование четырёхугольника, у которого четвёртый угол φ тупой, Саккери отверг при помощи строгого рассуждения. Однако доказать, что гипотеза острого угла неверна не смог ни Саккери, ни его последователи. Неприступная «крепость» пятого постулата так и осталась неприступной.

Очень интересны исследования французского математика Адриена Мари Лежандра. Но ни одна из них не привела к успеху.

Вот краткое описание одной из попыток Лежандра. Пусть a и b – две прямые, перпендикулярны одной и той же третьей прямой и пересекающие её в точках А и В. Эти две прямые a и b не пересекаются. Допустим, что пятый постулат Евклида неверен и через А можно провести ещё одну прямую a′, так же не пересекающую b (рис 4.) Симметричная ей ( относительно АВ) прямая а″ также не пересекает прямую b. Рассматривая два получающихся острых угла α′ и α″ (симметричных друг другу), Лежандр строго доказывает, что прямая a как при продолжении её вправо, так и при продолжении её влево всё более удаляются от прямой b. Нопрямые a и b не могут вести себя подобным образом: если они не пересекаются, то должны находится на ограниченном расстоянии друг от друга на своём протяжении. Не правда ли убедительно? Однако на самом деле это просто другая аксиома: она следует из пятого постулата, и, в свою очередь, из неё вытекает справедливость пятого постулата.