欧几里德几何
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欧几里德几何有时就指平面上的几何,即平面几何。本文主要描述平面几何。 三维空间的欧几里德几何通常叫做立体几何。 高维的情形请参看欧几里德空间。
数学上,欧几里德几何是平面和三维空间中常见的几何,基于点线面假设。数学家也用这一术语表示具有相似性质的高维几何。
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[编辑] 公理描述
欧几里德几何的传统描述是一个公理系统,通过有限的公理来证明所有的“真命题”。
欧几里德几何的五条公理是:
- 任意两个点可以通过一条直线连接。
- 任意线段能无限延伸成一条直线。
- 给定任意线段,可以以其一个端点作为圆心,该线段作为半径作一个圆。
- 所有直角都全等。
- 若两条直线都与第三条直线相交,并且在同一边的内角之和小于两个直角,则这两条直线在这一边必定相交。
第五条公理称为平行公理,可以导出下述命题:
- 通过一个不在直线上的点,有且仅有一条不与该直线相交的直线。
平行公理并不像其他公理那么显然。许多几何学家尝试用其他公理来证明这条公理,但都没有成功。19世纪,通过构造非欧几里德几何,说明平行公理是不能被证明的。(若从上述公理体系中去掉平行公理,则可以得到更一般的几何,即绝对几何。)
从另一方面讲,欧几里德几何的五条公理并不完备。例如,该几何中的有定理:任意线段都是三角形的一部分。他用通常的方法进行构造:以线段为半径,分别以线段的两个端点为圆心作圆,将两个圆的交点作为三角形的第三个顶点。然而,他的公理并不保证这两个圆必定相交。 因此,许多公理系统的修订版本被提出,其中有希尔伯特公理系统。
欧几里德还提出了五个“一般概念”,也可以作为公理。当然,之后他还使用量的其他性质。
- 与同一事物相等的事物相等。
- 相等的事物加上相等的事物仍然相等。
- 相等的事物减去相等的事物仍然相等。
- 一个事物与另一事物重合,则它们相等。
- 整体大于局部。
[编辑] 现代方法
如今,欧几里德几何的构造通常不是通过公理化方法,而是通过解析几何。通过这种方法,可以像证明定理一样证明欧几里德(或非欧几里德)几何中的公理。这一方法没有公理方法那么漂亮,但绝对简练。
- 构造
首先,定义“点的集合”为实数对 (x,y) 的集合。给定两个点 P = (x,y) 和 Q = (z,t),定义距离:
- .
这就是“欧几里德度量”。所有其他概念,如直线、角、圆可以通过作为实数对的点和之间的距离来定义。例如通过点 P 和 Q 的直线可以定义成点的集合 A 满足
- | PQ | = | PA | + | AQ | 或 。