Доказательство непротиворечивости планиметрии Римана на одной из моделей Текст научной статьи по специальности «Математика»

2012

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_________________

Математика. Механика. Информатика Вып. 1(9)

УДК 51(09)

Доказательство непротиворечивости планиметрии Римана на одной из моделей

А. Е. Малых, Е. И. Янкович

Пермский государственный педагогический университет Россия, 614000, Пермь, ул. Сибирская, 24 malyс[email protected]; (342) 280-37-55

Построена эллиптическая связка сфер - одна из возможных моделей. Она содержит основные понятия геометрии: окружности, сферы и круговые преобразования. Введены отношения между объектами этой связки. Доказана непротиворечивость планиметрии Ри-мана. Описаны другие модели этой геометрии.

Ключевые слова: геометрия Римана; объекты; модель; группы аксиом; радикальные ось и центр; пучки окружностей и сфер; эллиптическая связка сфер; инверсия.

Среди различных математических дисциплин одна наиболее ранняя - геометрия. Первыми математическими понятиями были число и геометрическая фигура. Они возникли вместе с формированием человеческого общества. С его развитием эволюционировала и геометрия. Появление термина "геометрия" относят к словам Евдема Родосского (IV в. до н.э.): "Геометрия была открыта египтянами и возникла при измерении земли, которое было необходимо им вследствие разлива реки Нил, постоянно смывающего границы... " [1; с.143]. У древних греков геометрия означала математическую науку, тогда как для измерения земельных участков, площадей они ввели термин "геодезия". Измерения производились при выполнении строительных работ, рытье каналов, возведении культовых сооружений.

Первые геометрические понятия возникли в процессе абстрагирования от всех свойств и отношений фигур, кроме их взаимного расположения и величины. Аналогичными абстракциями являлись и пространственные тела.

К VII в. до н.э. объем накопленных геометрических знаний значительно увеличился. Потребовалась их систематизация, обобще-

© Малых А. Е., Янкович Е. И., 2012

ние. Первым образцом дедуктивного построения науки стала символическая логика, созданная Аристотелем (IV в. до н.э.). В геометрии попытки такого построения предпринимались и до него, но все они были забыты после появления "Начал" Евклида (III в. до н.э.). В тринадцати томах ученого элементарная геометрия представлена так, как ее понимают теперь. Геометрию же, развивавшуюся на основаниях (положениях) последней, но уточненную и обогащенную как в предмете, так и методах исследования, называют евклидовой. В ней выделялись неопределяемые понятия: точка, прямая и плоскость. Относительно них определялись отношения "лежать" или "принадлежать". Кроме того, давались определения (отрезка, угла, окружности и др.), затем формулировались аксиомы и постулаты (требования). В первых рассматривались свойства величин, а вторые имели дело только с геометрическими объектами. Все остальные положения доказывались без всякой ссылки на интуицию и наглядность, они назывались теоремами.

В период упадка античного общества была создана геометрия на сфере. Ведущую роль при этом сыграла "Сферика" Менелая (I в.), построенная по образцу "Начал" Евклида. В ней впервые введен сферический тре-

угольник, исследованы его свойства, доказаны теоремы, в частности, одна из них носит имя ученого. В труде "Альмагест" (Величественная) Птолемея (II в.) объем геометрических сведений был значительно расширен. В нем помещены все имевшиеся к тому времени знания о сферической геометрии, доказаны теоремы, выполнены необходимые вычисления хорд, составлены их таблицы; доказаны сферические теоремы синусов, тангенсов и др.

К концу античного периода математика перестала развиваться. Отметим, что геометрические результаты того и более позднего времени были получены в Китае и Индии, а впоследствии - странах ислама. Однако они не привели к созданию геометрии как научной дисциплины.

Дальнейшее развитие геометрия получила лишь в средневековой Западной Европе, когда была подготовлена почва для введения переменной величины. Независимо друг от друга французские ученые Р. Декарт (1635) и П. Ферма (1629/1674) разработали аналитическую геометрию. Они ввели метод координат в геометрию, а вслед за ним и движение. Появилась возможность значительно расширить круг решаемых задач. Долгое время аналитическую геометрию называли декартовой (термин ввел И. I Бернулли (1632)), а слово "аналитическая" родилось гораздо позже благодаря Ф.Виету. Он назвал свой метод буквенной алгебры "аналитическим искусством", а термин "алгебра" заменил анализом. Впоследствии в математику вошли слова "аналитический", "анализ". Со второй половины XVII в. аналитическими называли всякие приложения алгебры к геометрии. Заметим, что в наши дни под аналитической геометрией понимают метод решения задач, в основу которого положено понятие координат. Именно в таком значении ее ввел И.Ньютон в "Аналитической геометрии" и назвал учебник "Элементы аналитической геометрии" С.Ф.Лакруа (1801).

При решении задач картографии, землемерии, теории упругости и др. были введены новые понятия, разработаны методы, получены первые результаты. Основы этой науки - дифференциальной геометрии - были заложены И. I Бернулли (1697), позже Л.Эйлером, Ж.Л.Лагранжем. Однако творцами ее явились Г.Монж и К.Ф.Гаусс, создавшие "Приложения анализа к геометрии" (1795) и "Общие исследования о кривых поверхностях" (1828) соответственно. Работа

Монжа, доступно изложенная и ставшая учебником, содержала задачи, относящиеся к специальным классам поверхностей. Издание Гаусса - глубокая теория, результаты и методы которой сразу же стали классическими.

К первой половине XVII в. относится зарождение проективной геометрии в исследованиях Ж. Дезарга и Б. Паскаля, которые рассматривали проблемы изображения геометрических тел на плоском чертеже. Они изучали свойства плоских фигур, сохранявшиеся при проектировании объектов из любой точки с одной плоскости на другую. Несколько теорем этой геометрии были доказаны Паппом Александрийским (IV в.). Проективные свойства фигур изучались, так как требовалось свободное обращение с коническими сечениями в астрономии. В работе Ж. Дезарга "Черновой набросок подхода к явлениям, происходящим при встрече конуса с плоскостью" (1639) помещены основные факты проективной геометрии и ряд теорем. Его идеи были усвоены и развиты только Б.Паскалем (1654). Отдельные результаты и теоремы установили Ф. де Лагир (1685), А.Сен-Венан (1625/1647), Ф. ван Схоутен (1656), Л.Эйлер (1748) и др. Создание же проективной геометрии как науки связано с именами Ж.В.Понселе и К.Г.Штаудта. Современные ее изложение ведет начало от "Г еометрии положения" (1847) Штаудта. Ученый первым представил ее независимо от метрических соображений. Название "проективная геометрия", по-видимому, впервые ввел Л.Кремона (1873).

В работах Ж.Дезарга (1640), К.Ф.М.Дешаля (1647), А.Ф.Фрезье (1773) уже были заложены основы архитектурного черчения, резки камней, практические приемы изображений и ортогонального проектирования для выполнения технических работ. Начертательная геометрия была создана Г.Монжем в 60-х годах XVIII в. Он дал этой науке название "описательная геометрия". Идеи и методы ученого развивались и оформлялись на протяжении десятилетий. Книга по курсу появилась лишь в 1798 г., так как более ранней публикации препятствовали военные власти Франции, желая удержать открытие в секрете.

Окончательное оформление и систематическое изложение новых геометрий было выполнено уже в XVIII-XIX вв.: Л.Эйлером (1747) для аналитической геометрии,

Г.Монжем (1795) для дифференциальной и Ж.В.Понселе (1822) для проективной геометрии. Во всех этих дисциплинах основы геометрии оставались теми же, а круг изучаемых фигур, их свойств и применяемых методов значительно расширился [2].

На долгом историческом пути безуспешных попыток доказательства V постулата Евклида, начиная от Посидония (I в. до н.э.) и Птолемея (II в.), было получено много необычных фактов. Уже в конце XVIII в. К.Ф.Гаусс, Ф.К. Швейкарт и Ф.А.Тауринус пришли к заключению, что справедлива не только "обычная", но и "астральная, звездная геометрия". Гаусс размышлял над этой проблемой еще с 1792 г., пытаясь выяснить сущность евклидовой геометрии, однако в конечном счете пришел к тем же результатам, которые получили Н.И.Лобачевский и Я. Боль-яи. Ученый не публиковал материалы своих исследований: в теорию он внес только термин "неевклидова геометрия". Ф.К.Швейкарт послал Гауссу результаты своего десятилетнего труда "Астральная геометрия" (1818), которая не была опубликована. В ответ ученый написал, что заметка профессора Швей-карта доставила ему необыкновенно много удовольствия и почти совпадала с его мнением. Интерес к рассматриваемой проблеме проявил Тауринус, напечатав "Теорию параллельных линий" (1825), а спустя год - еще одну работу. Он попросил Гаусса опубликовать свое мнение о них, чего ученый не сделал, и дальнейшая их переписка прекратилась

[3].

С 1823 по 1826 г. Н.И.Лобачевский создал свою неевклидову геометрию, назвав ее "воображаемой", а позднее - Пангеометрией (Всеобщей геометрией). 11 февраля 1826 г. он прочел доклад "Рассуждение о принципах геометрии" перед Ученым советом Казанского университета, а в 1829 г. опубликовал его. Тогда же началась его 13-летняя борьба с непониманием и травлей. Его книга "Геометрические исследования по теории параллельных линий" (1841) была опубликована на немецком языке. С нею ознакомился Гаусс и высоко оценил ее, но в дружеской переписке. О впечатлении, произведенном этой книгой, он писал в письме к Г.Х.Шумахеру, указав, что уже 54 года разделяет те же взгляды, что и Лобачевский, с некоторым их развитием. Но в изучении предмета автор следовал другим путем. Переписка Гаусса с Шумахером была опубли-

кована в 1850-1865 гг. и оказала сильное влияние на математиков.

Над аналогичными проблемами трудился Янош Больяи. В 1823 г. о своих результатах он написал отцу Ф.Больяи. Сочинение Я.Больяи было опубликовано в 1833 г. как приложение к книге Ф.Больяи под названием "Аппендикс". Работу сына отец послал другу студенческих лет Гауссу, который в ответном письме указал, что аналогичные результаты получил уже на 30-35 лет раньше. Такое сообщение было потрясением для Я.Больяи.

Признание геометрии Лобачевского пришло в 1868 г. В Англии его идеи понял и стал пропагандировать У.К.Клиффорд. Это ему принадлежат слова: "... чем Коперник был для Птолемея, тем Лобачевский был для Евклида..." [4].

Еще об одной неевклидовой геометрии говорил Б.Риман в пробной лекции "О гипотезах, лежащих в основании геометрии" (1854). Она была прочитана в присутствии К.Ф.Гаусса и впоследствии стала называться геометрией Римана. Широкий интерес к ней в XX в. проявился в связи с созданием теории относительности А.Эйнштейна и тензорного исчисления. Наш интерес привлекла геометрия Римана.

Для построения эллиптической геометрии возможно несколько подходов: аксиоматический, тензорный и аналитический. При первом основой являются четыре группы аксиом (соединения, порядка, конгруэнтности, непрерывности), совокупность которых образует абсолютную геометрию. В зависимости от того, каким предложением их дополняют, получают евклидову или неевклидовы геометрии. Если добавить к указанным группам аксиом одно из возможных отрицаний аксиомы параллельности, то в результате дальнейших построений получают эллиптическую геометрию Римана.

Тензорный подход, осуществленный в первой половине прошлого столетия, основан на результатах тензорного исчисления, предметом изучения которого являются дифференциальные операторы, действующие на алгебре тензорных полей дифференцируемого многообразия, а также общие геометрические объекты.

В основе аналитического подхода каждой упорядоченной паре действительных чисел ставится в соответствие точка в выбранной системе координат, и наоборот. Затем рассматриваются геометрические места точек,

описываемые уравнениями с двумя переменными или их системами; изучаются другие геометрические фигуры.

Отметим, что интерпретацией эллиптической геометрии Римана могут служить евклидова и проективная плоскости. Общий подход к ее построению состоит в том, чтобы найти такую систему объектов, которые в геометрии Римана служили бы точками, прямыми и плоскостями, и чтобы для этой системы выполнялись все четыре группы аксиом эллиптической геометрии. Опишем кратко каждую из них. В самом начале следует указать на то, какие именно объекты следует считать "точкой", "прямой" и "плоскостью". Затем нужно доказать, что при таком выборе основных понятий все аксиомы геометрии Римана остаются в силе. Тогда вся геометрическая система, основанная исключительно на аксиомах, получает истолкование в данной модели. Тем самым доказывается непротиворечивость рассматриваемой геометрии.

Модель геометрии Римана может быть построена на евклидовой геометрии, которую считают непротиворечивой. В евклидовом пространстве в качестве "плоскости Римана" выбирают связку прямых и плоскостей с центром в точке О. "Точками" и "прямыми" плоскости Римана называют прямые и плоскости связки. Далее определяют принадлежность точки прямой: точка принадлежит прямой, если прямая связки, соответствующая данной точке, принадлежит плоскости связки, изображающей эту прямую. Выбрав на модели отношения между объектами, введенными ранее, доказывают на ней аксиомы этой группы.

Модель Римановой геометрии можно осуществить на проективной плоскости. Для этого множество элементов евклидова пространства дополняется бесконечно удаленными точками, находящимися в определенных отношениях с элементами множества:

- каждой прямой соответствует один такой элемент, называемый бесконечно удаленной точкой;

- параллельные прямые пересекаются в бесконечно удаленной точке;

- бесконечно удаленные точки различных прямых различны.

Множество бесконечно удаленных точек всех прямых данной плоскости образует бесконечно удаленную прямую. Множество

всех бесконечно удаленных прямых пространства образуют бесконечно удаленную плоскость. Заметим, что такие же условия для бесконечно удаленных элементов пространства вводятся и в проективной геометрии. Поэтому пространство, обладающее указанными выше свойствами, называется проективным, а плоскость - проективной. В качестве элементов модели выбирают точки и прямые некоторой проективной плоскости ос [5].

Результатом нашего исследования явилось построение геометрии Римана на эллиптической связке сфер - ее модели. Прежде всего, ее необходимо было построить. Для объектов модели введены круговые преобразования и их частный случай - инверсия относительно базисной окружности о . Опреде-

м о

о А В

А сч

^В 0° В О 0

б)

Рис. 1

а)

б)

Рис. 2

лено понятие степени p точки М относительно о . В зависимости от расположения М и о , различают положительную (рис. 1а) и отрицательную (рис. 1б) степени, а также ортогональную о1 (рис. 2а) и диаметральную о2 (рис. 2б) окружности.

Далее дано понятие радикальной оси -геометрического места точек, имеющих одну и ту же степень относительно двух данных окружностей. Ею является прямая I, перпендикулярная линии центров 01 02 (рис. 3). Если центры трех окружностей о1,о2,о3 не

Рис. 3

лежат на одной прямой, то их три радикальные оси пересекаются в одной точке, называемой радикальным центром о1,о2,о3 (рис.4). Еще одним объектом строящейся мо-

На построенной модели были проверены все 24 аксиомы четырех групп: соединения, порядка, непрерывности и конгруэнтности. Прежде всего указали, какие именно объекты считать "точкой", "прямой и "плоскостью". Определили, что точкой плоскости является пара диаметрально противоположных точек диаметральной сферы; прямой - окружность большого круга, а плоскость ассоциируется с любой сферой эллиптической сети. В качестве последней взяли диаметральную сферу сети, центр которой совпадает с радикальным центром S , а радиус равен р . На рис. 6 показана прямая I, проходящая через точки А и В .

В качестве примера выполним проверку А71 из группы аксиом сочетания: две различные прямые одной и той же плоскости всегда имеют одну и только одну общую точку. Поскольку прямыми являются окружности

а)

Рис. 5

дели являются пучки окружностей -множество окружностей, имеющих одну и ту же радикальную ось.

В зависимости числа общих точек окружностей различают эллиптический (рис.5а), параболический (рис. 5 б) и гиперболический (рис. 5 в) пучки.

Затем были введены понятия связки (эллиптической, параболической и гиперболической) и степени связки.

Все перечисленные выше определения обобщены на случай трехмерного пространства. Так, рассматривая базисную сферу, аналогичным образом введена степень точки М , радикальная плоскость, пучок сфер, их связка, а также сеть сфер и степень сети [6]. Для наглядного изображения эллиптической сети сфер нами рассматривалось сечение сферы.

большого круга, то на сфере они пересекаются в двух диаметрально противоположных

Рис. 6

Рис. 7

точках (рис. 7). Поскольку точка определена как пара диаметрально противоположных, то точка пересечения прямых является единственна. Таким образом, А71 выполняется на модели.

Перед рассмотрением второй группы аксиом условились о соответствии разделен-ности двух пар точек римановой прямой объектами на модели. Принадлежность четырех точек A, B, C и D прямой на модели трактуется как совокупность четырех прямых связки, лежащих в одной плоскости. Пара точек A, B разделяет пару C, D , если прямые связки, изображающие точки C, D , принадлежат смежным углам, образованным парой точек A и B; пара точек A, B не разделяет пару C, D, если прямые связки, изображающие точки C, D, принадлежат одному и тому же из двух смежных углов, образованных парой точек A и B . При таком определении разде-ленности пар точек проверена выполнимость аксиом второй группы. Аналогичным образом для оставшихся двух групп ввели соответственные отношения между объектами. Установлено, что все группы аксиом выполняются на построенной модели.

Proof of uncontradiction Riemann plane geometry on one of the models

A. E. Malykh, E. I. Yankovich

Perm State Pedagogical University, Russia, Sibirskaja st., 24 [email protected]; (342) 280-37-55

Elliptical sheaf of spheres - one of possible models - is constructed. It contains the main notions of geometry: circles, spheres and circular transformations. Relations between objects of this sheaf are introduced. Uncontradiction of Riemann plane geometry was proved. An other models of this geometry are described.

Key words: Riemann geometry; objects; model; groups of axioms; radical axis and centre; sheaves of circles and spheres; elliptical sheaf of spheres; inversion.

Тем самым доказано, что геометрия Ри-мана на плоскости непротиворечива.

Список литературы

1. Математический энциклопедический словарь / гл. ред. Ю.В. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1988.

2. Клейн Ф. Лекции о развитии математики в XIX столетии. М.: Наука, 1989. Т. I.

3. История математики с древнейших времен до начала нашего времени / под ред. А.П. Юшкевича. М.: Наука, 1971-1973. Т.1-Ш.

4. Розенфельд Б.А. История неевклидовой геометрии. М.: Наука, 1976.

5. Гильберт Д. Основания геометрии. М.; Л.: ГТТИ, 1948.

6. Фетисов А.И. Очерки по неевклидовым и евклидовым геометриям. М.: Гостехиздат, 1965.