ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ МАТЕМАТИКИ

IV

ГЕОМЕТРИЯ

АКАДЕМИЯ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НАУК РСФСР

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ МАТЕМАТИКИ

КНИГА ЧЕТВЕРТАЯ

ГЕОМЕТРИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

МОСКВА 1963

Б1

Э68

ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ЭНЦИКЛОПЕДИИ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ МАТЕМАТИКИ:

П. С. АЛЕКСАНДРОВ, А. И. МАРКУШЕВИЧ, А. Я. ХИНЧИН

РЕДАКТОРЫ КНИГИ ЧЕТВЕРТОЙ

В. Г. БОЛТЯНСКИЙ, И. М. ЯГЛОМ

ОГЛАВЛЕНИЕ

От редакции ............................. 7

АКСИОМЫ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕОМЕТРИИ

(Б. А. Розенфельд)

§ 1. Возникновение основных понятий геометрии........... 9

§ 2. «Начала» Евклида........................ 12

§ 3. Появление аксиоматического метода.............. 18

§ 4. Модели ............................ 21

§ 5. Непротиворечивость и полнота аксиоматики .......... 28

§ 6. Аксиоматика геометрии.................... 32

§ 7. Непротиворечивость и полнота аксиоматики евклидовой геометрии 41

§ 8. Независимость аксиом..................... 44

Литература.............................. 47

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

(И. М. Яглом,, Л. С. Атанасян)

§ 1. Понятие преобразования. Примеры............... 50

§ 2. Применение преобразований к решению геометрических задач . . 63

§ 3. Аналитическая запись геометрических преобразований...... 72

§ 4. Произведение отображений и преобразований ....... 80

§ 5. Обратное преобразование ................... 96

§ 6. Общее определение геометрии. Группы геометрических преобразований ....... ....... ....... 98

§ 7. Группа проективных преобразований .............. 110

§ 8. Неточечные отображения..................... 121

§ 9. Принцип перенесения...................... 140

Литература.............................. 157

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОСТРОЕНИЙ

(Н. М. Бескин, В. Г. Болтянский, Г. Г. Маслова, И. Ф. Четверухин, И. М. Яглом)

§ 1. Некоторые вопросы практического использования геометрических построений................. ... 160

§2.О решении задач на построение в зависимости от принятых инструментов .......... ..... ........167

§ 3. О построениях на ограниченном куске плоскости........177

I 4. Общие методы решения задач на построение на плоскости ... 182

§ 5. Использование геометрических преобразований при решении задач на построение на плоскости ..... .... . 189

§ 6. Приближенные методы геометрических построений и их значение для практики ... .......... 193

§ 7. Геометрические построения в пространстве ........... 200

Литература .... .......... 203

О РАЗРЕШИМОСТИ ЗАДАЧ НА ПОСТРОЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ЦИРКУЛЯ И ЛИНЕЙКИ

(Ю. И Манин)

Введение............................205

§ 1. Геометрическая часть теории ... .............206

§ 2. Перевод задачи на алгебраический язык............210

§ 3. Классические задачи .............220

Литература....... ... .............227

МЕТОДЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ

(Н. М. Бескин)

§ 1. Постановка задачи . . .................... 229

§ 2. Параллельные проекции..................... 234

§ 3. Параллельная аксонометрия................... 247

§ 4. Метод Монжа ................... 275

§ 5. Центральные проекции ..................... 277

§ 6. Построения на изображении................... 288

Литература............................ 289

ВЕКТОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ГЕОМЕТРИИ

(В. Г Болтянский, И. М. Яглом)

§ 1. Определение вектора .... ........ 292

§ 2. Сложение векторов и умножение вектора на число....... 298

§ 3. Скалярное произведение векторов ............. 319

§ 4. Косое произведение векторов плоскости ...... 338

§ 5. Тройное произведение и векторное произведение векторов пространства ...... ......... 351

§ 6 Применения векторного исчисления к сферической геометрии и тригонометрии ......................... Збб

§ 7. Понятие о векторных пространствах............... 369

Литература.............................. 380

МНОГОУГОЛЬНИКИ И МНОГОГРАННИКИ

(В. Г. Ашкинузе)

§ 1. Основные определения. Теорема Эйлера.............382

§ 2. Комбинаторный (топологический) тип многогранника Теорема Штейница...........................399

§ 3. Развертка многогранника. Теорема Коши............410

§ 4. Правильные многоугольники и многогранники и их обобщения . 420

Литература..............................446

ОКРУЖНОСТИ

(И. M. Яглом)

Введение...............................449

А. Окружность как совокупность точек

§ 1 Обобщение понятия окружности ...............450

2. Радикальная ось и радикальный центр.............454

3. Пучки и связки окружностей..................461

5 4. Инверсия . . ........................468

5 Точечная геометрия окружностей................476

Б. Окружность как совокупность прямых

§ 6. Направленные окружности...................479

$ 7. Центр подобия и ось подобия..................485

§ 8. Ряды и сети окружностей ...................490

§ 9. Осевая инверсия........................495

c 10. Осевая геометрия окружностей.................504

В. Окружность как совокупность линейных элементов

§11. Новый взгляд на окружность..................508

§ 12. Касательная геометрия окружностей..............510

Литература..............................516

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СФЕРИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ И ТРИГОНОМЕТРИИ

(Б. А. Розенфельд)

§ 1. Основные понятия сферической геометрии ............ 518

§ 2. Сферические треугольники....................530

§ 3. Малые окружности........................539

§ 4. Тригонометрические соотношения в сферическом треугольнике. . 545

Литература.............................557

Именной указатель..........................558

Предметный указатель........................559

ОТ РЕДАКЦИИ

Первые три книги «Энциклопедии элементарной математики» (сокращенно ЭЭМ), посвященные арифметике, алгебре и анализу, вышли свыше десяти лет тому назад. Теперь после долгого перерыва редакция решила завершить этот труд. За эти годы коллектив сотрудников ЭЭМ понес большие потери. В 1959 г. после продолжительной болезни скончался Александр Яковлевич Хинчин; еще раньше мы потеряли Дмитрия Ивановича Перепелкина, участвовавшего в составлении геометрических книг. То, что издание удалось все же возобновить, является результатом большой работы, проделанной Владимиром Григорьевичем Болтянским и Исааком Моисеевичем Ягломом.

Напомним из предисловия к первой книге, что предлагаемый труд «не может служить для первоначального изучения предмета. Он предназначается для людей, изучавших элементарную математику и уже ставших или готовящихся стать преподавателями элементарной математики. Он не следует, как правило, ни порядку, ни способу изложения математики в средней школе, так как то и другое обусловлено возрастными особенностями учащихся и общеобразовательными целями средней школы, т. е. соображениями, которые не играют роли по отношению к подготовленному читателю-профессионалу. Логика нашего издания — это логика систематического, по возможности простого и доступного изложения тех вопросов математической науки, из которых строится школьный курс, а также и тех, которые хотя и не находят в этом курсе прямого выражения, однако необходимы для правильного и сознательного его понимания и создают перспективы для дальнейшего развития содержания и методов школьного курса».

Этот наш первоначальный замысел остается неизменным. Осталось неизменным и намерение посвятить очередные две книги геометрии. Что же касается их фактического содержания, то здесь редакция внесла ряд изменений, продиктованных главным образом желанием учесть некоторые замечания критики и читательские отклики на первые три книги. С принятым ныне отбором материала и порядком его расположения читатель познакомится из оглавления.

Отметим, что четвертая и пятая книги ЭЭМ образуют вместе самостоятельное целое, так что пользование ими, в известном смысле, независимо от ранее выпущенных книг, также составляющих законченный цикл.

В 1951 г., когда вышла в свет первая книга ЭЭМ, никто и не предполагал, что появятся новые математические профессии (вроде программиста-вычислителя), подготовка к которым будет возложена на среднюю школу. В свете новых задач должна быть расширена и пересмотрена сама концепция «элементарной математики». Соответствующим вопросам редакция предполагает отвести место в последних книгах (все издание, рассчитано на семь книг), состав которых, таким образом, будет во многом отличаться от содержания, намеченного в предисловии к первой книге.

Если бы пришлось начинать все сначала, мы внесли бы прежде всего серьезные изменения в структуру и изложение ранее выпущенных книг. Но нам представляется, что в целом они все же оказались полезными. Мы надеемся, что эта и следующая книги ЭЭМ найдут свою читательскую аудиторию и будут полезны и преподавателям математики средней и высшей школы, и студентам педагогических институтов и университетов, а также любителям математики, не связанным с вопросами ее преподавания.

Редакция

АКСИОМЫ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕОМЕТРИИ

СОДЕРЖАНИЕ

§ 1. Возникновение основных понятий геометрии........... 9

1.1. Понятия геометрии как результат абстракции........ 9

1.2. Зарождение геометрии в древнем мире ........ 11

§ 2. «Начала» Евклида........................ 12

2.1. Евклид и его предшественники............... 12

2.2. «Постулаты» Евклида.................... 15

2.3. Непрерывность у Евклида и его предшественников..... 16

2.4. Движения.......................... 17

§ 3. Появление аксиоматического метода .............. 18

3.1. Создание неевклидовой геометрии.............. 18

3.2. Аксиоматический метод в математике............ 19

§ 4. Модели ............................. 21

4.1. Модели евклидовой плоскости................ 21

4.2. Аксиоматические системы в алгебре............. 27

§ 5. Непротиворечивость и полнота аксиоматики........... 28

5.1. Непротиворечивость аксиоматики.............. 28

5.2 Полнота системы аксиом.................. 30

§ 6. Аксиоматика геометрии..................... 32

6.1. Основные понятия геометрии Евклида ........... 32

6.2. Аксиомы принадлежности.................. 32

6.3. Аксиомы порядка...................... 34

6.4. Аксиомы движения..................... 36

6.5. Аксиомы непрерывности................... 37

6.6. Аксиома параллельности .................. 40

^ 7 Непротиворечивость и полнота аксиоматики евклидовой геометрии 41

7.1. Арифметическая модель геометрии Евклида . . 41

7.2. Непротиворечивость и полнота аксиоматики евклидовой плоскости .......................... 43

§ 8. Независимость аксиом ... ............... 44

8.1. Независимость системы аксиом .... ......... 44

8.2. О независимости аксиоматики евклидовой геометрии .... 45

8.3. Заключение......................... 46

Литература.............................. 47

§ 1. Возникновение основных понятий геометрии

1.1. Понятия геометрии как результат абстракции. Геометрия представляет собой общую науку о пространственных формах. С пространственными формами человек столкнулся прежде всего

при измерении участков земли. Греческое слово ye(ù\iBïQia, от которого происходит название геометрия, как раз и означает «землемерие». С другими пространственными формами человек столкнулся при постройке зданий, выделке сосудов и т. д.

Геометрия, как и вся математика, изучает объекты реального мира. Однако математические науки существенно отличаются от остальных естественных наук, изучающих специфические физические, химические, биологические, экономические и другие закономерности. В отличие от этих наук математика изучает объекты реального мира в наиболее абстрактном виде, существенно отвлекаясь от их конкретного содержания. В частности, геометрия принимает во внимание только форму предметов, отвлекаясь от вещества и физических свойств этих предметов, точно так же как, например, арифметика принимает во внимание только числа предметов и их отношения. Этот абстрактный характер математики и позволяет широко применять в ней дедуктивный метод, т. е. логическое выведение закономерностей из небольшого числа основных положений (определений, аксиом), в то время как упомянутые выше науки применяют главным образом индуктивный метод, т.е. установление общих закономерностей на основе частных эмпирических наблюдений.

Однако эмпирические наблюдения и практический опыт играли важнейшую роль при возникновении математических понятий и основных положений математики. Именно потому, что люди миллионы раз сталкивались с такими арифметическими закономерностями, как независимость результата счета камней или палок от порядка счета, или с такими геометрическими закономерностями, как единственность линии, по которой располагается натянутая веревка, соединяющая два колышка, смогли выработаться такие основные положения арифметики и геометрии, как коммутативный закон сложения и аксиома о единственности прямой линии, соединяющей две точки. Вся терминология, применяемая в геометрии, с исключительной наглядностью свидетельствует о том, что понятия о геометрических образах возникли путем абстракции от реальных предметов различной формы.

Так, например, слово точка происходит от глагола «ткнуть» и означает результат мгновенного прикосновения, укола1). Тот же смысл имеет и латинское слово punctum, от которого произошли термины Punkt, point (точка) на западно-европейских языках и русский термин «пункт»: эти слова происходят от латинского глагола

1) Это толкование является сейчас общепринятым. Интересно, однако, отметить, что замечательный русский математик Н. И. Лобачевский придерживался другого взгляда на происхождение термина «точка». Он говорил, что точка происходит «от прикосновения пера, откуда заимствовано самое название» («точка» — отточенное острие гусиного пера, которым писали во времена. Лобачевского. См. Н. И. Лобачевский, Избранные труды по геометрии, Изд. АН СССР, Москва, 1956, стр. 108).

pungo—«укалываю». Слово линия, от латинского linea, в конечном счете происходит от латинского слова linum — «лен, льняная нить»; это показывает, что понятие линии является абстракцией от тонкой льняной нити. Часто слово «линия» употребляется в значении «прямой линии» (откуда, например, термин «линейка»); понятие прямой линии, очевидно, является абстракцией от натянутой льняной нити.

Такое же конкретное значение имеют и геометрические термины греческого происхождения: слово сфера происходит от греческого σφαίρα — «мяч», куб—от κύβος — «игральная кость», цилиндр—от κύλινδρος — «валик», конус—от κώνος — «сосновая шишка», призма—от πρίσμα — «опиленная», ромб—от ρόμβος — «бубен», трапеция— от τραπέζιον—«столик». Отсюда видно, что указанные геометрические фигуры представляют собой понятия, являющиеся абстракциями от форм мяча, игральной кости, круглого валика, сосновой шишки, опиленного бревна, четырехугольного бубна, столика с раздвинутыми ножками. Слово пирамида, от греческого πυραμίς, в конечном счете происходит от древнеегипетского слова purama, которым древние египтяне называли свои пирамиды.

Нить, веревка была не только прообразом геометрической линии, но и первым геометрическим инструментом: натянутая веревка играла роль линейки; закрепляя один конец веревки, другим ее концом описывали как циркулем, окружность; деля веревку со связанными концами на 12 равных частей и придавая этой веревке форму треугольника, стороны которого соответственно равны 3, 4 и 5 частям, получали прямоугольный треугольник; таким образом строился прямой угол. Греки называли древнеегипетских геометров, у которых они обучались геометрии, άρπεδόναπται — «натягивателями веревки»; древнейший индийский геометрический трактат, посвященный правилам построения алтарей, назывался Sulva-sutra-«Правила веревки». Циркуль и линейка появились раньше всего в Китае: специальные иероглифы для обозначения циркуля и линейки возникли в китайской письменности в середине II тысячелетия до н. э. Древние греки приписывают изобретение этих инструментов Фалесу (VI век до н. э.); во всяком случае египетские «натягиватели веревки», у которых учился Фалес, по-видимому, не пользовались этими инструментами. С циркулем связано появление слова центр — от греческого слова κέντρον, обозначающего палку с заостренным концом, которой подгоняли быков, а позже—ножку циркуля, ставящуюся в центр описываемого круга.

1.2. Зарождение геометрии в древнем мире. Выработка абстрактных геометрических понятий являлась результатом длительного исторического процесса накопления геометрических фактов. Первоначально установление геометрических фактов происходило экспериментальным путем, на огромном числе частных примеров, причем правила, полученные в этих частных случаях, обобщались на другие

случаи. Это видно из дошедших до нас правил вычисления площади четырехугольника у египтян и индийцев, которые точны лишь в частных случаях, а в общих случаях дают только приближенное решение задачи: египтяне определяли площадь произвольного четырехугольника с последовательными сторонами а, Ь, с, d как произведение —^— • —^—, что верно только для прямоугольников, а индийцы определяли площадь произвольного четырехугольника со сторонами а, Ь, с, d как У (р—а)(р—Ь) (р — с) (р— d), где р =-i (а +bс-\-d), что верно только для четырехугольников, вписанных в круг.

Упоминавшемуся нами Фалесу приписываются первые доказательства простейших геометрических утверждений; ранее необходимость «доказывать» геометрические факты, видимо, не осознавалась. Доказательства Фалеса до нас не дошли, но ясно, что эти доказательства не могли опираться на другие геометрические утверждения (аксиомы, ранее доказанные теоремы), как это делается в современных геометрических доказательствах. Что представляли собой доказательства Фалеса, видно, однако, из формулировок его теорем: почти во всех теоремах Фалеса требуется доказать равенство каких-нибудь геометрических фигур — равенство частей круга, на которые он делится диаметром; равенство вертикальных углов; равенство углов при основании равнобедренного треугольника; равенство двух сторон в треугольнике с двумя равными углами; равенство двух треугольников, если две стороны и образуемый ими угол в одном из них равны соответственным элементам другого треугольника. Доказательства этих теорем Фалес производил, несомненно, с помощью наложения друг на друга тех фигур, равенство которых требовалось доказать. Известная теорема Фалеса о том, что угол, вписанный в окружность и опирающийся на ее диаметр, — прямой, вероятнее всего доказывалась поворотом фигуры на 180°, после чего возникал четырехугольник, вписанный в круг; далее требовалось установить, что этот четырехугольник является прямоугольником; это, вероятно, доказывалось перегибанием четырехугольника по его средним линиям1).

§ 2. «Начала» Евклида

2.1. Евклид и его предшественники. После формулировки и доказательства первых геометрических утверждений становится возможным доказывать одни утверждения (теоремы) с помощью других.

1) Вариант такого доказательства приведен в статье «Геометрические преобразования»; см. стр. 67 этой книги ЭЭМ.

Доказательство многих геометрических теорем приписывается Пифагору и Демокриту (V в. до н. э.).

Гиппократу Хиосскому (IV в. до н. э.) приписывается составление первого систематического курса геометрии, основанного на определениях и аксиомах. Этот курс и его последующие обработки назывались 2toi%eîa— «элементы, стихии», так как здание геометрии в этих курсах строилось с помощью определений и аксиом как физическое тело из «элементов» («стихий», т. е. огня, воздуха, воды и земли). Последующее усовершенствование этих курсов привело к появлению в III в. до н. э. в Александрии знаменитой книги Евклида с тем же названием (в русском переводе «Начала»), вытеснившей книгу Гиппократа и остальные ее обработки. Существенную роль в создании «Начал» Евклида сыграло создание в IV в. до н. э. Платоном и особенно Аристотелем теории доказательств, а также разработка ими общих принципов дедуктивного построения науки (т. е. построения науки с помощью выводов, доказательств). От латинского названия «Начал» Евклида (Elementa) происходит термин элементарная геометрия, относящийся к совокупности геометрических результатов, изложенных у Евклида или получаемых аналогичными методами.

«Начала» Евклида состоят из 13 «книг», из которых I—VI книги посвящены планиметрии, VII—X книги посвящены арифметике и несоизмеримым величинам, которые можно построить с помощью циркуля и линейки, XI—XIII книги посвящены стереометрии. I книга начинается с изложения 23 определений и 10 аксиом, причем первые пять из этих аксиом называются «общими понятиями», а остальные— «постулатами»; дальнейшие определения содержатся во введениях к другим книгам.

Несмотря на то, что сочинения предшественников Евклида до нас не дошли, мы можем составить некоторое представление об этих сочинениях по «Началам» Евклида: в «Началах» Евклида имеются разделы, логически весьма мало связанные с другими разделами; появление их объясняется только тем, что они внесены по традиции и копируют «Начала» предшественников Евклида. К таким разделам относится прежде всего введение к I книге.

Введение к 1 книге «Начал» Евклида начинается с определения точки: «Точка—это то, что не имеет частей». Такое определение, нигде не применяющееся в основном тексте «Начал» Евклида, несомненно фигурировало во всех предыдущих вариантах «Начал». Смысл этого определения состоит в том, что точка есть неделимая часть (атом) пространства. Такого представления еще не было у Фалеса, оно появляется у Пифагора и Демокрита. Понятие о точке у этих двух мыслителей имеет существенно различный характер: у Пифагора, идеалиста и мистика, пытающегося объяснить все закономерности мира с помощью числовых соотношений, точки не имеют

размеров, а имеют только положение в пространстве; Пифагор отождествлял точки с числовыми единицами и, в соответствии со своей философской системой, с душами неродившихся или умерших людей. У материалиста Демокрита, творца атомистической теории в физике, точки, напротив, подобно атомам материи, имели конечные, хотя и «сверхчувственно малые» размеры. Но оба ученых считали, что в конечном теле имеется конечное, хотя и очень большое число точек. Измерение площадей и объемов сводилось у Пифагора и Демокрита к подсчету числа точек в фигуре. Эта точка зрения привела пифагорейцев к изучению «фигурных чисел» — «прямоугольных», «квадратных», «треугольных», «многоугольных» «телесных», «кубических», «пирамидальных» и т. д., т. е. чисел точек, расположенных в видег соответственно, треугольников, квадратов и других фигур (рис. 1). «Прямоугольные числа»—это числа, которые могут быть представлены в виде произведения двух целых множителей, больших единицы; «телесные числа» — произведения трех множителей; «квадратные» и «кубические числа» мы и теперь называем квадратами и кубами. Суммируя свои конечные атомы в различных плоских фигурах и телах, Демокрит нашел формулы для площади круга, объема пирамиды, конуса и шара с помощью своеобразного приближенного интегрирования.

Следующие определения Евклида: «линия—длина без ширины»,, «поверхность — длина и ширина без глубины» — также восходят к атомистическим представлениям; линия, которую Пифагор и Демокрит представляли как цепочку точек, считалась делимой в ее направлении, но неделимой «по ширине», так же как поверхность считалась делимой в двух направлениях, но неделимой «по глубине».

Весьма древними являются, по-видимому, и определения прямой линии и плоскости у Евклида: «прямая линия — такая, которая одинаково расположена по отношению ко всем своим точкам», «плоская поверхность—такая, которая одинаково расположена по отношению ко всем прямым линиям на ней». Далее приводятся определения угла, многоугольника, треугольника и четырехугольника и их видов, круга и его частей, параллельных линий. Параллельные прямые определялись как прямые, лежащие в одной плоскости и не пересекающиеся между собой.

Рис. 1

2.2. «Постулаты» Евклида. «Постулаты» Евклида по существу представляют собой правила построений с помощью идеальной линейки и идеального циркуля. Первые два постулата «всякие две точки можно соединить прямой линией» и «ограниченную прямую линию можно неограниченно продолжать» определяют действия с помощью идеальной линейки. Третий постулат «из всякого центра всяким радиусом можно описать окружность» определяют действия с помощью идеального циркуля1). Четвертый постулат «все прямые углы равны между собой» является излишним; как было замечено впоследствии, его нетрудно вывести из остальных аксиом. Последний постулат Евклида, его знаменитый V постулат, гласил: «Если прямая падает на две прямые и образует внутренние односторонние углы в сумме меньше двух прямых, то при неограниченном продолжении этих двух прямых они пересекутся с той стороны, где углы меньше двух прямых».

При формулировке этих постулатов мы встречаемся с равенством двух углов и со случаем, когда сумма двух углов меньше третьего. Эти соотношения определяются «общими понятиями» Евклида, по существу представляющими собой принципы измерения длин, углов, площадей и объемов. Их также пять: «равные одному и тому же равны между собой», «если к равным прибавить равные, суммы равны между собой», «если от равных отнять равные, остатки равны между собой», «совмещающиеся друг с другом равны между собой», «целое больше части». Четвертое из этих «общих понятий» дает критерий равенства прямолинейных отрезков и углов (мы видели, что этот критерий равенства применялся еще Фалесом), а также достаточное, хотя и не необходимое условие равенства площадей более сложных фигур, т. е. в применении к площадям эту четвертую аксиому следует понимать так: «совмещающиеся друг с другом фигуры равны между собой (по площади)». Равенство площадей многоугольников различной формы доказывалось с помощью присоединения к четвертому «общему понятию» первых трех2). Пятое «общее понятие» вместе с предыдущими дает критерий того, что одна фигура больше другой; например, чтобы установить, что сумма двух углов больше третьего, надо убедиться, что третий угол можно наложить на часть угла, составленного из двух первых углов.

Евклид понимал под решением задачи только построение с помощью идеального циркуля и идеальной линейки. В частности, для

1) Полный список «постулатов», на которых основано решение задач на построение с помощью циркуля и линейки, читатель найдет в статье: «О разрешимости задач на построение с помощью циркуля и линейки», стр. 208—209 настоящей книги ЭЭМ.

2) Полный список «постулатов», на которых основано вычисление площадей и изложение современного учения о площадях, читатель найдет в начале статьи «О площадях и объемах» в кн. V ЭЭМ.

Евклида найти площадь или объем означало построить циркулем и линейкой квадрат или куб, равный данной фигуре, т. е., как говорят, произвести «квадратуру» или «кубатуру» этой фигуры. Так как квадратура круга и кубатура круглых тел с помощью циркуля и линейки не удавались (и, как впоследствии было доказано Линдеманом, невозможны), Евклид не рассматривал ни площади круга, ни объемов круглых тел. Решение этих задач для многих плоских фигур и тел было произведено (вскоре после Евклида) Архимедом при помощи методов, восходящих к Демокриту.

«Начала» Евклида завершались построениями с помощью циркуля и линейки ребер пяти правильных многогранников, вписанных в сферу данного радиуса и исследованием полученных несоизмеримых величин.

2.3. Непрерывность у Евклида и его предшественников. Следует отметить, что хотя первые определения Евклида и носят следы атомистических представлений Пифагора и Демокрита, сам Евклид не разделял этих представлений. Евклид считал, что, например, любой отрезок можно с помощью его идеальных инструментов делить пополам неограниченное количество раз. Линии, поверхности и тела Евклид считал непрерывными и, в частности, неоднократно пользовался тем, что две прямые линии или окружности пересекаются, когда две точки одной из этих линий лежат по разные стороны от другой. Пифагор и Демокрит не владели понятием непрерывной величины; для них линии, поверхности и тела были совокупностями отдельных, дискретных точек. Аристотель определил непрерывную величину как такую величину, что если разбить ее на две части, эти части будут иметь общую границу (ср. в связи с этим текст на стр. 31). У Евклида нет этого замечательного определения, так как его определения, как мы отмечали, копируют старые, доаристотелевские образцы. Но Евклид, несомненно, считает линии, поверхности и тела непрерывными в смысле Аристотеля.

Определив непрерывную величину, Аристотель сделал вывод, что если дискретную величину можно рассматривать как множество точек, то непрерывную величину ни в коем случае нельзя рассматривать как множество неделимых элементов. Он, по-видимому, исходил из того, что если точки, как он считал, не имеют размеров, то две точки, непрерывно прилегающие друг к другу, сливаются в одну точку и, значит, тоже не имеют размеров; то же происходит и с тремя и с любым количеством точек, причем это утверждение, верное для конечного числа точек, Аристотель распространял на бесконечные множества точек. Поэтому Аристотель представлял себе линии не как множества точек, как Пифагор и Демокрит, а только как «места», где могут находиться точки. Отсюда и происходит наш термин «геометрическое место точек», который мы применяем к линиям или поверхностям, определенным теми или иными условиями: Аристотель и последующие математики не могли определить

эти линии или поверхности как множества точек, связанных данными условиями1). Евклид разделял точку зрения Аристотеля о том, что непрерывная величина не может состоять из неделимых.

Заметим, что если у Пифагора и Демокрита арифметика была слита с геометрией, Евклид всячески подчеркивает, что это принципиально различные науки и, например, изложив теорию пропорций непрерывных величин в V книге, доказывает снова те же теоремы для целочисленных пропорций в VII книге.

2.4. Движения. Движение (жесткое перемещение фигур) и, в частности, наложение, бывшее основным методом доказательства у Фалеса, играет существенную роль и у Евклида. Мы уже видели, что определение равенства фигур у Евклида основано на совмещении фигур. Евклид постоянно производит перенос отрезков с помощью циркуля, да и самое описывание прямых линий и окружностей с помощью линейки и циркуля производится с помощью движения. В XI книге «Начал» при определении сферы Евклид уже прямо определяет сферу как результат вращения полуокружности вокруг диаметра. Однако во всех случаях, когда Евклид может обойтись без использования движений, он так и поступает. Нет также у Евклида ни определения общего движения, ни определения вращения вокруг точки или вокруг оси.

Таким образом, мы видим, что для одних основных понятий геометрии— точки, линии, поверхности — Евклид воспроизводит традиционные определения, по существу, не применяющиеся, так как он не разделял тех представлений, в связи с которыми возникли эти определения; для других основных понятий геометрии, таких, как непрерывность и движение, которыми он постоянно пользуется, он вовсе не дает определений. Тем не менее в геометрии Евклида уже имелись совершенно определенные понятия о точке, не имеющей размеров, но имеющей определенное положение; о линии, являющейся результатом движения точки и, в частности, о прямой линии и окружности как о линиях, образуемых движением, производимым с помощью идеальной линейки или идеального циркуля; наконец, о поверхностях, получающихся в результате движения линий, и, в частности, о поверхностях вращения, получающихся в результате вращения линий.

1) Эти ошибочные представления Аристотеля и возникший в связи с ними бессодержательный термин «геометрическое место точек» до сих пор лежат тяжелым грузом на методике преподавания математики. В действительности понятие «геометрическое место точек» полностью совпадает с понятием «множества точек» (обладающих тем или иным свойством): любое множество точек является одновременно и «геометрическим местом точек» (а именно геометрическим местом точек, обладающих свойством принадлежать этому множеству). См. в связи с этим § 4 статьи «Общие принципы геометрических построений», стр. 182—183 этой книги ЭЭМ.

§ 3. Появление аксиоматического метода

3.1. Создание неевклидовой геометрии. Дальнейшее развитие геометрии пошло по пути критики Евклида. Одни математики критиковали Евклида за то, что он ограничивался рассмотрением только таких геометрических величин, которые можно построить с помощью циркуля и линейки, и поэтому не решал многих практически важных задач, как, например, определение площади круга и объемов круглых тел. Эти пробелы Евклида, как мы знаем, были восполнены Архимедом. Другие математики критиковали Евклида за то, что он разрывал геометрию и арифметику и понапрасну доказывал для целых чисел снова то, что он уже доказал раньше для геометрических величин. Третьи подвергали критике аксиомы Евклида, т. е. его «постулаты» и «общие понятия» и предлагали исключить некоторые аксиомы или, наоборот, добавить новые. Особенно большие споры вызвал наиболее сложный и наименее наглядный постулат Евклида — его V постулат. Многие математики считали, что этот постулат является лишним и его можно и непременно нужно доказать как теорему с помощью остальных аксиом. Другие считали, что следует заменить постулат Евклида более простым и наглядным постулатом. Одним из таких более простых постулатов, равносильных V постулату, является следующий: «Через точку вне прямой можно провести в их плоскости не более одной прямой, не пересекающей данную прямую».

Критика Евклида, продолжавшаяся свыше двух тысяч лет, привела к двум важнейшим открытиям. Критика того разрыва между геометрией и арифметикой, который имелся у Евклида, привела к расширению понятия числа до действительного числа, которым теперь можно было характеризовать не только отношения соизмеримых геометрических величин, но и отношения несоизмеримых величин. Действительное число можно непрерывно изменять, вследствие чего введение действительных чисел в математику было равносильным введению в математику переменных величин. Этот величайший переворот в математике, связанный в первую очередь с именем Рене Декарта (XVII в.), непосредственно привел к открытию дифференциального и интегрального исчислений, являющихся математическим аппаратом механики и классической физики.

Споры по вопросу о V постулате привели к тому, что в начале XIX века Н. И. Лобачевский, Я. Бойяи и К. Ф. Гаусс построили новую геометрию1), в которой выполняются все аксиомы геометрии Евклида, за исключением V постулата, заменяющегося противоположным утверждением: «В плоскости через точку вне прямой можно провести более одной прямой, не пересекающей данную

1) См. статью о неевклидовых геометриях в кн. V ЭЭМ.

прямую».Эта геометрия оказалась столь же непротиворечивой, как и геометрия Евклида. Открытие неевклидовой геометрии опровергло мнение многих ученых, уверенных в том, что геометрия Евклида является единственной мыслимой геометрией, чуть ли не заложенной в нашем сознании до всякого знакомства с внешним миром. Появление новой геометрии поставило вопрос о том, какая геометрия имеет место в реальном мире: геометрия Евклида или геометрия Лобачевского. То бесспорное обстоятельство, что геометрия Евклида является отражением реального мира, не решает вопроса, так как отражение всегда является лишь приблизительным: так, например, эксперименты на малых участках земной поверхности согласуются с предположением о том, что поверхность Земли является плоскостью, и нужны эксперименты на больших участках, чтобы доказать, что более правильно представлять себе эту поверхность сферой. Аналогично этому, и геометрия Лобачевского в малых участках почти не отличается от геометрии Евклида, и отличие между ними проявляется только в больших участках пространства; поэтому сразу вслед за созданием геометрии Лобачевского возник вопрос о естественно-научных экспериментах в больших областях реального пространства, которые уточнили бы геометрическое строение мира, в котором мы живем1).

3.2. Аксиоматический метод в математике. Если концепция Декарта привела к переходу от математики постоянных величин к математике переменных величин, то открытие Лобачевского привело к переходу от математики постоянных отношений (например, взаимоотношений между точками, прямыми и плоскостями в геометрии Евклида) к математике переменных отношений; например, эти отношения могут быть заменены взаимоотношениями между точками, прямыми и плоскостями другой геометрии — геометрии Лобачевского. За геометрией Лобачевского возникли и другие непротиворечивые геометрии. Затем аналогичное изменение привычных отношений стало производиться и в других математических дисциплинах; например, наряду с обычной алгеброй появилось много новых алгебр. Возник целый ряд совершенно новых математических систем, не имеющих аналогов в классической математике, причем некоторые из этих систем были использованы в качестве математического аппарата различных областей современной физики.

К этим крупнейшим математическим открытиям ученые пришли, распространяя критику, которой Лобачевский, Бойяи и Гаусс подвергли одну из аксиом Евклида, V постулат, на всю систему аксиом

1) Впоследствии, уже в XX веке, вопрос о геометрических свойствах реального мира привел к появлению теории относительности Эйнштейна, коренным образом ломающей привычные геометрические представления.

евклидовой геометрии, а затем, перенося метод научного изложения с помощью аксиом на другие математические дисциплины. В результате сложился тот аксиоматический метод в математике, который ныне является подлинной основой как геометрии, так и других разделов современной математики.

Для того чтобы понять сущность аксиоматического метода, обратимся снова к геометрии. До открытия Лобачевского, когда было распространено мнение о том, что геометрия Евклида — единственно мыслимая геометрия, считалось, что эта геометрия описывает реальное, физическое пространство точно. Поэтому можно было пытаться определять основные геометрические понятия, указывая реальные прообразы этих понятий. Именно так и поступал Евклид и, по-видимому, его предшественники, начиная с Пифагора и Демокрита. Правда, мы видели, что представления о точках, линиях, поверхностях и их взаимоотношениях были совершенно различными у разных ученых, и даже в одно и то же определение «точка — то, что не имеет частей», разные ученые вкладывали различный смысл; мы видели также, что система определений и аксиом Евклида, воспроизводившая традиционные образцы, не отражала представлений самого Евклида и не охватывала важнейших понятий, которыми он пользовался.

Но после появления геометрии Лобачевского стало ясно, что путь, которым шел Евклид в своих определениях основных понятий, и принципиально невозможен. Если мыслимых геометрий много, то в каждой геометрии должны быть свои основные понятия и поэтому нельзя дать единые общие определения основных понятий. Иначе говоря, определения основных понятий должны зависеть от аксиом геометрической системы. Определения основных понятий той или иной геометрической системы должны относиться только к данной геометрической системе и не должны претендовать на определение основных понятий физического пространства, которое только с различной степенью точности отражается различными схемами геометрических пространств.

Так как единое определение основных понятий для всевозможных геометрий дать невозможно, то основные понятия геометрии следует определить как объекты любой природы, удовлетворяющие аксиомам этой геометрии. Только такое определение основных понятий геометрии соответствует абстрактному характеру этих понятий. В этом случае говорят, что геометрическая система определяется системой аксиом.

Таким образом, при аксиоматическом построении некоторой геометрической системы (или вообще при аксиоматическом построении некоторой математической теории) мы исходим из некоторой системы аксиом, или, как говорят, аксиоматики. В этих аксиомах описываются свойства основных понятий рассматриваемой геометрической системы, и мы можем представлять себе основные понятия в виде объектов любой природы, обладающих указанными в аксиомах свойствами.

Относительно самих этих основных понятий (вроде геометрических понятий «точка», «прямая линия» и др.) можно сказать, что они косвенно определяются аксиомами. Это — пример дескриптивного определения математического объекта, т. е. определения объекта описанием его свойств. Никакие другие определения этих основных понятий геометрической системы невозможны. Из аксиом мы выводим первые теоремы, из аксиом и уже доказанных теорем выводим все новые теоремы, которые и составляют здание рассматриваемой геометрической системы. Следовательно, аксиомы — это первоначальные предложения об основных понятиях геометрии, которые принимаются в данной геометрической системе без доказательства и на основе которых доказываются все теоремы рассматриваемой геометрической системы. Такую же роль играют аксиомы и в любой другой математической теории.

Евклид и его предшественники примерно так и понимали роль аксиом. Поскольку доказательство всякой теоремы геометрии представляет собой вывод ее из некоторых других (как правило, более простых) предложений, в результате многовекового развития геометрии выкристаллизовались первоначальные предложения, на основании которых доказывались остальные теоремы. Эти первоначальные предложения («основные понятия» и «постулаты» у Евклида) и были приняты за аксиомы. Из сказанного ясно, что аксиомы геометрии имеют опытное происхождение, т.е. отражают некоторые простые свойства реального пространства. Из сказанного ясно также, что в процессе исторического развития геометрии за аксиомы были приняты сравнительно простые, наглядно ясные предложения. Однако не следует считать, что аксиома — это простая истина, не требующая доказательства в силу своей очевидности. «Очевидность» — это понятие, чуждое аксиоматическому методу; простота же аксиом—это результат исторического развития науки и вопрос удобства. К тому же некоторые теоремы могут показаться «проще» некоторых аксиом. Например, V постулат Евклида, несомненно «сложнее» для понимания, чем некоторые первые теоремы геометрии.

§ 4. Модели

4.1. Модели евклидовой плоскости. Предположим, что некоторая геометрическая система (скажем, геометрия Евклида) задана с помощью аксиоматики (т. е. системы аксиом). Объекты, удовлетворяющие аксиомам такой геометрической системы, допускают различные конкретные истолкования; эти истолкования называются интерпретациями или моделями рассматриваемой геометрической системы.

Приведем некоторые простые примеры интерпретаций. Предположим, что мы уже имеем некоторую интерпретацию геометрии Евклида, например понимаем под геометрией Евклида то, что мы узнаем о ней

в школе. С помощью этой интерпретации мы сейчас построим другие интерпретации евклидовой геометрии.

Пусть г — некоторый отрезок. Условимся называть «точкой» всякий шар радиуса г, «прямой» — всякий бесконечный круговой цилиндр радиуса г и «плоскостью» — всякую полосу толщины 2г, т. е. часть пространства, заключенную между двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга на расстоянии 2г. Будем, далее, говорить, что «точка» лежит на «прямой», если соответствующий шар целиком заключается в цилиндре. Расстоянием между двумя «точками» будем называть расстояние между центрами соответствующих шаров. Очевидным образом можно определить теперь «углы», «отрезки», «треугольники», и т. д. Легко понять, что мы получаем таким образом новую интерпретацию евклидовой геометрии: все аксиомы (а значит, и теоремы) остаются в этой интерпретации справедливыми. Например, через любые две различные «точки» можно провести «прямую» и притом только одну (рис. 2).

Другую интерпретацию евклидовой геометрии1) мы получим с помощью так называемой стереографической проекции. Мы ограничимся случаем геометрии на плоскости. Пусть П — некоторая плоскость и S—не пересекающая ее сфера. Обозначим через Лг наиболее удаленную от плоскости П точку сферы S. Если теперь А—произвольная точка плоскости П, то мы обозначим через А' ту точку сферы 5, в которой отрезок AN пересекает сферу S (рис. 3). Переход от точек Л, В, ... плоскости П к соответствующим точкам А'у ... сферы S и называется стереографической проекцией. При стереографической проекции плоскость П переходит в множество ГГ, которое получается, если из сферы S удалить («выколоть») точку N.

Если теперь /—некоторая прямая на плоскости П, то при стереографической проекции она переходит в проходящую через точку N окружность /' (из которой удалена точка N). Действительно, если точка А пробегает прямую /, то все отрезки AN лежат в одной плоскости (рис. 4), которая в пересечении со сферой 5 и определяет окружность /'.

Рис. 2.

1) Еще две модели, связанные с начертательной геометрией, читатель найдет в статье «Методы изображений» (см. стр. 228—290 этой книги ЭЭМ).

Будем теперь называть множество ГГ «плоскостью», каждую его точку (т. е. отличную от N точку сферы S) — «точкой», а каждую проходящую через точку N окружность на сфере S (с удаленной точкой N)— «прямой линией». «Расстоянием» между «точками» А' и В' будем называть обычное расстояние между соответствующими им точками А и В на плоскости П. Иначе говоря, все геометрические объекты плоскости П мы перенесем с помощью стереографической проекции на «плоскость» П\ Ясно, что при этом сохранятся все

Рис. 3

Рис. 4.

аксиомы и теоремы евклидовой геометрии, т. е. «плоскость» П' представляет собой модель (или интерпретацию) евклидовой плоскости. Можно доказать, что в этой интерпретации «угол» между двумя пересекающимися «прямыми» Ï и /' равен обычному углу между касательными, проведенными к окружностям /i и /а в точке их пересечения (рис. 5). Далее, две «прямые» в том и только в том случае параллельны, если изображающие их окружности не имеют общих точек, отличных от Л/, т. е. касаются друг друга в точке N. Из этого наглядно ясно, что на нашей модели выполняется V постулат Евклида.

Рис. 5.

Из построенной модели легко получить еще одну модель евклидовой плоскости. Именно, обозначим через Р точку сферы S (рис. 6), ближайшую к плоскости П. Далее, для любой «точки» А' «плоскости» ГГ мы обозначим через А“ точку пересечения плоскости П с прямой РА'. Эта точка пересечения однозначно определяется, если точка А' отлична от Р. Если же точка А' совпадает с Р, то мы будем считать, что соответствующая точка А“ «находится в бесконечности», считая таким образом, что к плоскости П присоединена одна «бесконечно удаленная» точка1).

Обозначим через О точку пересечения прямой NP с плоскостью П. Обозначим, далее, через П“ плоскость П, из которой удалена точка О, но присоединена «бесконечно удаленная» точка. Далее, когда «точка» А' пробегает на «плоскости» IT некоторую «прямую» /', соответствующая точка А!' описывает на плоскости П некоторую проходящую через точку О окружность (рис. 6), из которой удалена точка О. Если «прямая» /' проходит через точку Р (рис. 7), то окружность, описываемая точкой А“, пре-

1) Получающийся образ (плоскость с присоединенной к ьей «бесконечно удаленной» точкой) называется расширенной или круговой плоскостью: она рассматривается в статье «Геометрические преобразования» (см. стр. 57 — 59 этой книги ЭЭМ) и в статье «Окружности» (стр. 448 — 517).

вращается в прямую линию, проходящую через точку О (рис. 7; из этой прямой удалена точка О, но присоединена «бесконечно удаленная» точка).

Из сказанного ясно, что мы получаем следующую интерпретацию евклидовой плоскости. Будем называть «плоскостью» множество П*, все его точки (включая «бесконечно удаленную») — «точками», а «прямыми» будем называть все окружности, проходящие через точку О (из которых удалена точка О, а также все прямые, проходящие через О (из этих прямых удаляется точка О, но присоединяется «бесконечно удаленная» точка). На рис. 8 показаны «прямые» в этой модели. Можно доказать, что в этой модели «угол» между двумя пересекающимися «прямыми» равен обычному углу между касательными, проведенными к окружностям в точке их пересечения (рис. 9). Далее, «прямые» в том и только в том случае «параллельны».

Рис. 6.

Рис. 7.

если изображающие их окружности касаются в точке О (рис. 10). Из этого наглядно ясно, что на рассматриваемой модели выполняется V постулат. Справедливы на этой модели также и другие аксиомы и теоремы евклидовой планиметрии. Например, сумма «углов» любого «треугольника» (рис. 11) равна 2d (что можно доказать и непосредственно).

Читатель, знакомый с преобразованием, называемым инверсией1), может легко понять, как связаны между собой модель П“ и плоскость П. Инверсия с центром в точке О переводит прямые линии плоскости П в окружности, проходящие через точку О, т. е. в «прямые на модели ГГ. Этим и устанавливается связь между указанными двумя моделями.

Еще две модели евклидовой плоскости можно получить с использованием комплексных чисел.

Очевидно, что все аксиомы и теоремы евклидовой геометрии на плоскости выполняются, если считать «точками» комплексные числа («точки

Рис. 8. Рис. 9.

Рис. 10. Рис. 11.

1) См. в этой книге ЭЭМ статьи «Геометрические преобразования», стр. 56—59, 74—75, и «Окружности», стр. 468—474.

плоскости комплексного переменного»), «прямыми» — множества комплексных чисел вида z = z0-\-lt, где z0 и /—фиксированные комплексные числа, а /—действительный параметр (/#0), а «расстояние» между «точками», изображаемыми комплексными числами 2 и до, положить равным \z—w\ Нетрудно проверить также, что все аксиомы и теоремы планиметрии Евклида выполняются на «плоскости комплексного переменного», расширенной введением «комплексного числа» оо (бесконечность), если считать «точками» все комплексные числа, кроме числа 0 (но включая «число» оо), а «прямыми» — все окружности и прямые плоскости комплексного переменного, проходящие через точку О. Например, через всякие две «точки» А и В проходит единственная «прямая»: если А и В — обычные точки, то эта «прямая» — окружность, проходящая через точки А, В и О, а если точка В — бесконечно удаленная, то эта «прямая»—обычная прямая, соединяющая точки О и А. «Расстояние» между «точками», изображаемыми комплексными числами z и w, в этом случае равно — — — . Очевидно, что эта модель (по существу совпадающая с описанной выше моделью П“) получается из обычной плоскости комплексного переменного, если заменить каждое комплексное число z числом — .

4.2. Аксиоматические системы в алгебре. С примерами аксиоматик и их интерпретаций мы встречаемся не только в геометрии, но и в других разделах математики. В тех областях математики, где рассматриваются алгебраические операции, одним из важнейших понятий является понятие «группы». Группой называется система объектов любой природы, называемых «элементами группы», в которой с каждыми двумя элементами а, Ь, взятыми в определенном порядке, сопоставлен некоторый элемент с = ab, называемый их произведением. При этом предполагаются выполненными следующие аксиомы:

1°. Операция умножения подчиняется ассоциативному закону, т. е. a(bc) = (ab)c для любых трех элементов я, Ь, с.

2°. Для любых элементов а, Ъ уравнения ах—Ъ, уа = Ь разрешимы, т. е. существуют такие элементы e n d, что ас=Ь и da=b (закон обратимости).

Таким образом, каждая конкретная группа является интерпретацией (или моделью) для этой аксиоматики. Группа называется коммутативной, если выполнена следующая дополнительная аксиома:

3°. Умножение коммутативно, т. е. ab=ba для любых двух элементов а, Ь.

В коммутативной группе операцию часто называют не умножением, а сложением (т. е. вместо ab пишут а-\-Ь).

Примером группы может служить множество всех целых чисел. Другими примерами являются: множество всех действительных чисел, множество всех комплексных чисел, множество всех векторов1). Все

1) См. в этой книге ЭЭМ статью «Векторы и их применения в геометрии».

эти группы коммутативны (операция — сложение). Другие примеры групп, а также простейшие теоремы о группах (выводимые из перечисленных выше аксиом) читатель может найти в кн. I ЭЭМ (стр. 100—108).

Рациональные, действительные и комплексные числа дают нам пример более сложной алгебраической системы, — поля. В поле со всякими двумя элементами а и Ь, взятыми в определенном порядке, сопоставлены два элемента с=а-\-Ь и d = ab той же системы, причем удовлетворяются следующие аксиомы (см. ЭЭМ, кн. I, стр. 113—120):

1°. Элементы системы образуют коммутативную группу, если групповой операцией считать сложение.

2°. Элементы системы без нуля1) образуют коммутативную группу, если групповой операцией считать умножение.

3°. Сложение и умножение элементов связаны дистрибутивным законом: a(b + c) = ab-{-ac.

Аксиомы поля также допускают большое число самых разнообразных интерпретаций.

В первых томах настоящего издания читатель может найти и ряд других аксиоматик: аксиомы натуральных чисел (ЭЭМ, кн. I, стр. 133 —135), аксиомы метрического пространства (ЭЭМ, кн. III, стр. 266) и др.

§ 5. Непротиворечивость и полнота аксиоматики

5.1. Непротиворечивость аксиоматики. При рассмотрении аксиоматики весьма важным вопросом является выяснение ее непротиворечивости. Поясним, что под этим понимается. Пусть мы имеем некоторую систему аксиом, например аксиомы группы. Из этих аксиом мы можем выводить все новые и новые теоремы. Если при этом могут быть получены две теоремы, противоречащие друг другу, то аксиоматика называется противоречивой. Разумеется, аксиоматика только в том случае может быть положена в основу некоторой содержательной математической теории, если она не является противоречивой. Возникает естественный вопрос: каким образом можно убедиться в том, что некоторая аксиоматика непротиворечива? Например, является ли непротиворечивой аксиоматика группы? Тот факт, что аксиомы группы сформулированы много десятилетий назад и до сих пор не обнаружено противоречий, конечно, не может нас убедить в непротиворечивости этой аксиоматики — кто знает, может быть такие противоречия будут обнаружены через несколько лет! Иначе говоря, сколько бы мы ни развивали теорию на основе выбранной аксиоматики, мы, строго говоря, никогда не можем до конца быть уверенными в том, что выбранная аксиоматика непротиворечива. Внутри самой теории

1) Напомним, что нулем коммутативной группы называется такой элемент 0, что а + 0 = а для любого элемента а.

обнаружить отсутствие в ней «внутренних противоречий» невозможно (строгое доказательство этого утверждения было дано не так давно видным американским логиком Куртом Гёделем).

Однако существует прием, позволяющий до некоторой степени судить о непротиворечивости аксиоматики. Этот прием заключается в следующем. Предположим, что в нашем распоряжении имеется некоторая математическая теория — назовем ее «теория Л», — в истинности которой мы не сомневаемся. Предположим далее, что нам задана некоторая аксиоматика, на основе которой мы должны построить другую математическую теорию — «теорию Z>». Ясно, что если мы сможем, пользуясь понятиями, имеющимися в «теории Л», построить некоторую модель, в которой выполняются все заданные аксиомы, лежащие в основе «теории 5», то тем самым непротиворечивость лежащей в основе «теории />» аксиоматики будет установлена. Иначе говоря, если мы условимся считать «теорию Л» «истинной» и если, пользуясь «материалом» «теории Л», мы сможем построить модель (интерпретацию) для аксиоматики «теории Б», то непротиворечивость этой аксиоматики будет тем самым установлена.

Выше (стр. 19) мы говорили о том, что геометрия Лобачевского «столь же непротиворечива, как и геометрия Евклида». Какой смысл имеет это утверждение? Оказывается, что, пользуясь «материалом» геометрии Евклида, можно построить модель геометрии Лобачевского (впервые такая модель была построена итальянским геометром Э. Бельтрами и немецким математиком Ф. Клейном уже после смерти самого Лобачевского), и наоборот, пользуясь «материалом» геометрии Лобачевского, можно построить модель геометрии Евклида (такая модель была построена Лобачевским). Следовательно, из непротиворечивости одной из этих геометрий вытекает непротиворечивость второй, и обратно1).

Из сказанного видно, что непротиворечивость может иметь только условный смысл: для доказательства непротиворечивости аксиоматики мы должны построить модель, а для возможности построения модели нужно иметь какой-то «строительный материал», т. е. нужно иметь некоторую теорию, в истинности которой мы не сомневаемся. Наиболее простой математической теорией является арифметика рациональных2) чисел (т. е. чисел целых и дробных, положительных и

1) См. статью о неевклидовых геометриях в кн. V ЭЭМ.

2) Непротиворечивость аксиоматики поля рациональных чисел сводится к непротиворечивости аксиоматики натуральных чисел (так как каждое положительное рациональное число ~ изображается парой натуральных чисел /л, п). Непротиворечивость системы аксиом натуральных чисел уже нельзя доказать таким же образом. Впрочем, в этой непротиворечивости нас достаточно убеждает многовековой опыт человечества, постоянно пользующегося натуральными числами.

отрицательных). На «истинность» (т. е. непротиворечивость) этой теории мы будем безоговорочно ссылаться, и с ее помощью будем строить модели других теорий. Итак, мы будем считать аксиоматику непротиворечивой, если для нее можно построить модель, исходя из арифметики рациональных чисел.

Теперь ясно, например, что аксиоматика группы непротиворечива: множество всех целых чисел представляет собой модель группы. Другой моделью может служить множество всех рациональных чисел. Непротиворечивой является и аксиоматика поля: моделью поля может служить множество всех рациональных чисел.

6.2. Полнота системы аксиом. Весьма важным является и другое свойство аксиоматики — свойство полноты. Для объяснения того, что такое полнота системы аксиом, нужно ввести понятие изоморфизма двух моделей. Предположим, что задана некоторая аксиоматика, в которой указываются основные понятия и перечисляются их свойства. Предположим далее, что для этой аксиоматики построены две модели. Эти модели называются изоморфными, если между элементами (т. е. основными понятиями) одной модели и элементами другой модели можно установить такое взаимно однозначное соответствие, при котором сохраняются фигурирующие в аксиомах основные отношения элементов. Например, множество всех целых чисел и множество всех рациональных чисел представляют собой две модели группы. Эти модели не изоморфны между собой. Если же мы возьмем группу всех целых чисел и группу всех целых чисел, делящихся на 10 (операция — сложение), то эти группы оказываются изоморфными между собой. Действительно, ставя в соответствие каждому числу п число 10 я, мы получаем взаимно однозначное соответствие между этими моделями, при котором сохраняются фигурирующие в аксиомах группы отношения (т. е. сумма элементов переходит в сумму). Изоморфными между собой являются также приведенные в предыдущем параграфе модели евклидовой плоскости1).

Система аксиом называется полной, если всякие две ее интерпретации изоморфны между собой. Например, аксиоматика группы не является полной (так как существуют не изоморфные между собой группы). Не является полной также и аксиоматика поля.

В качестве примера полной системы аксиом мы приведем аксиоматику поля действительных чисел. Именно поле действительных чисел можно определить как множество объектов любой природы, называемых «числами» и удовлетворяющих следующим аксиомам:

1°. (аксиома поля). Во множестве определены операции сложения и умножения чисел, по отношению к которым это множество является полем.

2° (аксиома порядка). Для всяких двух различных чисел а и Ь справедливо одно из двух отношений a>b, Ь>а, причем если а>Ь

1) О понятии изоформизма см. также ЭЭМ, кн. I., стр. 120—125.

и b>ct то а>с (отношение «>» транзитивно), и если а>Ь, то а + с>Ь-\-с при любом с, а при с>0 имеем аоЬс.

3° (аксиома непрерывности). Если Есе числа разделены на два класса таким образом, что всякое число II класса больше всякого числа I класса, то существует или такое число I класса, которое больше всех остальных чисел этого класса, или такое число II класса, что все остальные числа этого класса больше его.

Заметим, что приведенная нами аксиома непрерывности является точной математической формулировкой определения непрерывности Аристотеля (см. § 1); однако, вопреки запрету Аристотеля, непрерывное поле действительных чисел состоит из неделимых элементов — чисел, составляющих бесконечное множество. Аксиома непрерывности в этой формулировке была предложена Р. Дедекиндом.

Можно было бы доказать, что аксиома Дедекинда может быть заменена (при наличии первых двух аксиом) аксиомой Архимеда (ЭЭМ, кн. I, стр. 131) и аксиомой полноты (ЭЭМ, кн. I, стр. 198). Аксиома непрерывности (в любой форме) делает возможным построение теории пределов, изучение непрерывных функций и т. д.

Непротиворечивость аксиом поля действительных чисел можно было бы доказать с помощью модели этого поля, построенной из «материала» поля рациональных чисел. Обычно это делается с помощью сечений в поле рациональных чисел. Мы не будем проводить здесь это построение, отсылая читателя к курсам математического анализа.

Отметим, что аксиоматика поля действительных чисел является полной: всякие две модели поля действительных чисел изоморфны между собой. Именно, всякую модель поля действительных чисел можно поставить во взаимно однозначное соответствие, например, с бесконечными десятичными дробями, причем при этом соответствии сохраняются арифметические действия, отношение «>» (отношение «больше») и непрерывность. В самом деле, в произвольной модели поля действительных чисел определены числа 0 и 1. С помощью сложения мы можем определить все натуральные числа, а числа, противоположные натуральным, представят собой отрицательные целые числа; определенные нами целые числа попарно различны. Рассмотрим теперь произвольное число х из рассматриваемой модели. Если число х совпадает с целым числом п0, то мы поставим в соответствие числу х бесконечную десятичную дробь (п0—1),999 . . . Если же число X не является целым, то в силу аксиомы 2° и аксиомы Архимеда (вытекающей из аксиомы 3°) найдется такое целое число п0, что п0 + 1>х>п0. Далее, деля 1 на 10, мы получим число и с помощью сложения построим числа ^o + Tq. rto + Jo> • • -^o+jq* Если число х не совпадает ни с одним из этих чисел, то в силу аксиомы 2° найдется такое натуральное число пг<\0, что п0 + >*> п0 + . Продолжая таким образом, мы получим, что наше число х либо совпадет с некоторой конечной десятичной дробью /г0, пх п2. . . nk — тогда поставим в соответствие числу X бесконечную десятичную дробь

nQtnxn2 ... nk_x (nk—1)999

либо же существует такая бесконечная десятичная дробь п0, пхпгп9.....

что при любом к

в этом случае в силу аксиомы 3° число х должно быть поставлено в соответствие указанной бесконечной десятичной дроби. Это соответствие устанавливает изоморфизм рассматриваемой модели и модели, построенной из бесконечных десятичных дробей.

§ 6. Аксиоматика геометрии

6.1. Основные понятия геометрии Евклида. Теперь мы можем дать точное определение «пространства Евклида», т. е. той математической схемы, которая является отражением реального, физического пространства и по существу была разработана в «Началах» Евклида.

Дать определение пространства Евклида — это значит, как мы теперь знаем, дать систему его аксиом, т. е. основных предложений, которые справедливы в геометрии Евклида и из которых можно логически вывести все остальные предложения этой геометрии. Система этих аксиом должна быть непротиворечивой и полной (т. е. все модели, на которых выполняется эта система аксиом, должны быть изоморфными между собой).

Пространство Евклида можно определить как совокупность объектов трех родов, называемых «точками», «прямыми» и «плоскостями», и преобразований, переводящих совокупность всех точек в себя, называемых «движениями»; между этими объектами определены соотношения «точка лежит на прямой» (или «прямая проходит через точку»), «точка лежит на плоскости», «прямая лежит на плоскости», «точка лежит между двумя другими точками», причем указанные объекты и соотношения удовлетворяют перечисленным ниже аксиомам. Одновременно с изложением аксиоматики мы будем формулировать некоторые новые понятия и доказывать простые теоремы— без этого изложение аксиоматики было бы затруднительным.

6.2. Аксиомы принадлежности.

1°. Через каждые две различные точки проходит прямая и притом только одна.

2°. На каждой прямой имеются по крайней мере две точки.

3°. Существуют три точки, не лежащие на одной прямой.

4°. Через каждые три точки, не лежащие на одной прямой, проходит плоскость и притом только одна.

5°. На каждой плоскости имеется по крайней мере одна точка.

6°. Если две точки лежат на плоскости, то и проходящая через них прямая лежит на этой плоскости.

7°. Если две плоскости имеют общую точку, они имеют по крайней мере еще одну общую точку.

8°. Существуют четыре точки, не лежащие на одной плоскости.

В дальнейшем прямая, проходящая через точки Л и В, называется прямой AB, а плоскость, проходящая через точки А, В и С, называется плоскостью ABC.

Из сформулированных аксиом уже вытекают некоторые первые теоремы геометрии. Приведем пример.

Теорема 1. На каждой плоскости ложно найти три точки, не лежащие на одной прямой.

Доказательство. Пусть а — некоторая плоскость и А — лежащая в этой плоскости точка (аксиома 5°). Пусть, далее, M, N, Р—три точки, не лежащие на одной прямой (аксиома 3°). Так как все точки М, N, Р различны, то среди них найдется точка, отличная от А. Пусть, например, М=^А. Так как точки М, N, Р не лежат на одной прямой, то хотя бы одна из точек N, Р не лежит на прямой MA. Пусть, например, точка Л/ не лежит на прямой MA. Тогда точки A, M, N не лежат на одной прямой. Действительно, если бы Л, М, N лежали на одной прямой, то этой прямой являлась бы прямая MA (в силу аксиомы 1°); но точка N не лежит на этой прямой.

Так как точки Л, M, N не лежат на одной прямой, то в силу аксиомы 4° через них проходит (единственная) плоскость. Если плоскость AMN совпадает с а, то тем самым в плоскости а найдены три точки A, M, N, не лежащие на одной прямой. Если же плоскость AMN не совпадает с а, то эти плоскости имеют отличную от Л общую точку В (аксиома 7°). Таким образом, в плоскости а существуют две различные точки Л, В.

Пусть теперь 7, U, V, W—четыре точки, не лежащие в одной плоскости (аксиома 8°). Среди них обязательно найдется точка, не лежащая на прямой AB. Действительно, если бы точки Т, £/, V, W лежали на прямой AB, то все они лежали бы в плоскости а (аксиома 6°), чего не может быть. Пусть Т не лежит на прямой AB. Тогда три точки Л, В, Т лежат в одной плоскости. Среди точек U, V, W хотя бы одна не лежит в плоскости АВТ (иначе Т, U, V, W лежали бы в одной плоскости АВТ). Пусть, например, U не лежит в плоскости АВТ. Тогда точки Л, В, Т, U не лежат в одной плоскости. Действительно, если бы Л, В, Т, U лежали в одной плоскости, то этой плоскостью могла бы быть только плоскость АВТ (в силу аксиомы 4°); но точка U не лежит в плоскости АВТ.

Заметим еще, что точки Л, Г, U не лежат на одной прямой. Действительно, если бы точки Л, Г, U лежали на одной прямой, го эта прямая совпадала бы с прямой AT (аксиома 1°), и потому точка U лежала бы в плоскости АВТ (аксиома 6°), что места не имеет.

Так как точки Л, Г, U не лежат на одной прямой, то через них проходит плоскость (аксиома 4°). Плоскость Л TU не может совпадать с плоскостью а, так как иначе все четыре точки Л, В, 7, U

лежали бы в одной плоскости а. В силу аксиомы 7° плоскости а и A TU имеют общую точку, отличную от А. Обозначим эту общую точку через С. Таким образом, точки Л, В, С лежат в плоскости а. Покажем, что эти точки не лежат на одной прямой. В самом деле, если бы точки А, В, С лежали на одной прямой, то эта прямая совпадала бы с АС (аксиома 1°), и потому в силу аксиомы 6° лежала бы в плоскости ATU (ибо эта плоскость содержит точки А и С), т. е. точка В лежала бы в плоскости ATU. Но это противоречит тому, что точки А, В, Т, U не лежат в одной плоскости. Полученное противоречие доказывает, что точки Л, В, С не лежат на одной прямой.

6.3. Аксиомы порядка.

9°. Из любых трех различных точек прямой одна и только одна лежит между двумя другими.

10°. Для всяких двух точек прямой существует на этой прямой такая третья точка, что вторая точка лежит между первой и третьей.

Прежде чем сформулировать третью аксиому порядка (аксиома 11°) мы введем понятие отрезка. Именно, если Л и В—две различные точки, то отрезком с концами А и В (или, коротко, отрезком AB) называется множество, состоящее из точек Л, В и всех точек прямой AB, расположенных между Л и В.

11°. Если прямая I, лежащая в плоскости ABC, не проходит ни через одну из точек А, В, С и содержит одну точку отрезка AB, то она имеет общую точку хотя бы с одним из отрезков AC, ВС.

Эта аксиома называется аксиомой Паша — по имени немецкого ученого, впервые сформулировавшего эту аксиому.

Пользуясь аксиомами порядка, можно доказать некоторые дальнейшие теоремы.

Теорема 2. Для всяких двух различных точек Л, В существует точка, лежащая между ними.

Доказательство. Пусть С—точка, не лежащая на прямой AB (такая существует в силу аксиомы 3°). В силу аксиомы 10° существует на прямой АС такая точка D, что С лежит между Л и D. Точка D не совпадает с В, так как иначе две различные прямые AB, АС имели две общие точки Л, В, что невозможно (аксиома 1°). В силу аксиомы 10° существует на прямой BD такая точка Е, что В лежит между D и Е. Прямая СЕ не проходит ни через одну из точек Л, В, D. (Если бы, например, прямая СЕ проходила через Л, то она совпадала бы с прямой АС; следовательно, точки Л, С, D, Е лежали бы на одной прямой; на этой же прямой DE лежала бы и точка В, т. е. точки Л, В, С лежали бы на одной прямой, что невозможно.) Так как прямая СЕ имеет с отрезком AD общую точку С, то она имеет общую точку с одним из отрезков AB, BD

(аксиома 11°). Так как точка В лежит между D и Е, то точка Е не лежит на отрезке BD (аксиома 9°). Если мы допустим, что прямая СЕ имеет общую точку F с отрезком BD, то F^=E (ибо Е не лежит на отрезке BD), и потому прямые СБ и BD имеют две общие точки Е, F. Но тогда прямые СЕ и BD совпадают (аксиома 1°), что невозможно. Итак, прямая СЕ не может иметь общие точки с отрезком BD, и потому в силу сказанного выше она должна иметь общую точку H с отрезком AB. Эта точка H отлична от А и В (так как прямая СЕ не проходит через точки А, В). Таким образом, на отрезке AB существует точка Н, отличная от А и В, т. е. существует точка Н, лежащая между А и В.

Из приведенных доказательств теорем 1 и 2 ясно видно, что собой представляют доказательства с помощью аксиом. Эти доказательства не нуждаются в пояснительном чертеже и не предполагают, что мы представляем себе некоторую модель геометрии Евклида. Это и понятно, ведь в аксиомах перечисляется все, что мы должны знать об основных понятиях геометрии. Ясно также, что перечень аксиом у Евклида является далеко не полным (помимо того, что смысл его первых определений весьма туманный): Евклид существенно пользовался чертежом при доказательствах, и такое предложение, как аксиома 11°, для него было очевидным (прямая, входящая в треугольник через одну его сторону, должна выйти из треугольника через вторую или третью сторону). Таким образом, хотя у Евклида имеются начала аксиоматического метода, но при доказательствах Евклид неявно пользуется «очевидными» свойствами, не перечисленными в его аксиомах.

Имея в виду, что читатель ясно представил себе характер доказательств, проводимых на основании аксиом, мы не будем утруждать его дальнейшими доказательствами, а ограничимся формулировками теорем, которые можно доказать с помощью аксиом 1°—11° и уже доказанных теорем 1 и 2.

Теорема 3. Если прямая I, лежащая в плоскости ABC, нв проходит ни через одну из точек А, В, С, то хотя бы с одним из отрезков AB, ВС, АС она не имеет общих точек.

Теорема 4. Любые п различных точек прямой можно так занумеровать числами 1, 2, 3, п, что если i<J<k {или i>j>k), то j-я точка лежит между 1-й. и к-й точками.

Для того чтобы сформулировать теорему 5, определим луч. Пусть О и А—две различные точки. Лучом OA мы будем называть множество, состоящее из всех точек M прямой OA, для которых О не лежит между А и M (точки О и А также принадлежат лучу OA).

Теорема 5. Всякая точка О, взятая на прямой I, разбивает эту прямую на два луча. Более подробно: существуют на прямой I такие точки А и В, что лучи OA и OB имеют

единственную общую точку О, а взятые вместе составляют всю прямую I.

Определим теперь понятие полуплоскости. Пусть /—прямая, расположенная на плоскости а, и Л — точка плоскости а, не лежащая на прямой /. Полуплоскостью 1А мы будем называть множество, состоящее из всех точек прямой /, точки А и всех тех точек M плоскости а, для которых отрезок AM не имеет общих точек с прямой /.

Теорема 6. Всякая прямая I, лежащая на плоскости а, разбивает эту плоскость на две полуплоскости. Более подробно: существуют на плоскости а такие точки А и В (не лежащие на прямой I), что полуплоскости 1А и 1В составляют, вместе взятые, всю плоскость а, и имеют своим пересечением прямую I (т. е. точка N в том и только в том случае принадлежит обеим плоскостям 1А, 1В, если она лежит на прямой I).

Совершенно аналогично определяется полупространство и устанавливается, что всякая плоскость разбивает пространство (т. е. множество всех вообще точек) на два полупространства.

Наконец, введем еще понятие репера (от французского слова repère — метка, ориентир), необходимое для формулировки следующих аксиом. Пусть О—произвольная точка, / — проходящая через нее прямая и а— плоскость, содержащая прямую /. Выберем один из двух лучей, определяемых на прямой / точкой О (теорема 5); обозначим его через /'. Выберем, далее, одну из двух полуплоскостей, определяемых на плоскости а прямой / (теорема 6); обозначим ее через а'. Наконец, выберем одно из двух полупространств, определяемых плоскостью а; его обозначим через Г“. Совокупность (О, /', а', Г') мы и будем называть репером.

Легко видеть, что задание упорядоченной четверки точек (О, А, В, С), не лежащих в одной плоскости, определяет однозначно некоторый репер. Именно, обозначим через / прямую OA, а через /'— луч OA. Далее обозначим через а плоскость О AB, a через а'—полуплоскость 1В. Наконец, через Г' обозначим то из двух полупространств, определяемых плоскостью а, которое содержит точку С. Полученный репер (О, /', а', Г') мы будем называть репером, определяемым упорядоченной четверкой точек (О, А, В, С).

6.4. Аксиомы движения1).

12°. Всякое движение является взаимно однозначным отображением пространства на себя. Более подробно: если /—произвольное движение, то любые различные точки переводятся движением / в различные точки (т. е. если АфВ, то /{А)ф Ф1(В)); кроме того, для любой точки M найдется такая точка N, что f(N) = M.

1) О роли движений в геометрии см. также статью «Геометрические преобразования» в этой книге ЭЭМ (стр. 98 и след).

13°. Пусть f—произвольное движение. Тогда, если точки А, В, С расположены на одной прямой, причем С лежит между А и В, то точки /(А), /(В), /(С) также расположены на одной прямой, причем точка f(C) лежит между /(А) и /(В).

С помощью этих аксиом доказываются следующие теоремы:

Теорема 7. Если /—произвольное движение и А, В, С, D — четыре произвольные точки, то точки /(А), /(В), /(С), /(D) в том и только в том случае лежат в одной плоскости, если точки А, В, С, D лежат в одной плоскости.

Теорема 8. Если f—произвольное движение и А, В, С—три точки, не лежащие на одной прямой, то точки /(A), f(B), f(C) не лежат на одной прямой.

Теорема 9. При всяком движении прямая переходит в прямую, плоскость — в плоскость, луч — в луч, полуплоскость —в полуплоскость, полупространство — в полупространство и, следовательно, репер переходит в репер.

Теперь мы сформулируем еще две аксиомы.

14°. Два движения, произведенные одно за другим, равносильны некоторому одному движению.

15°. Для всяких двух реперов, взятых в определенном порядке, существует одно и только одно движение, переводящее первый репер во второй.

Рассмотрение движений позволяет говорить о «равенстве» геометрических фигур: две фигуры равны, если одну из них можно перевести в другую с помощью некоторого движения. Таким образом, мы получаем возможность говорить о равных отрезках, равных треугольниках и т. д.

6.5. Аксиомы непрерывности.

16° (аксиома Архимеда). Пусть А0, At, В — три точки, лежащие на одной прямой, причем точка Ах находится между А0 и В. Пусть, далее, f—движение, переводящее точку А0 в А.г и луч А0В—в луч АХВ. Положим

Г{Лх)^Аг, /(Л2)=Д„ ...

Тогда существует такое натуральное число п, что точка В находится на отрезке Лп_1Ап.

17° (аксиома Кантора). Пусть Аг, А2, ... и Вх, В2, ...— такие две последовательности точек, расположенных на одной прямой I, что для любого п точки Ап и Вп различны между собой и находятся на отрезке Лп_1Вп_1. Тогда на прямой I существует такая точка С, которая находится на отрезке АпВп при всех значениях п.

Аксиома 16° (вместе с перечисленными ранее аксиомами) позволяет доказать следующую важную теорему:

Теорема 10. Пусть MN— произвольный отрезок и OA —произвольный луч. Тогда на луче OA существует одна и только одна точка Р, обладающая тем свойством, что отрезок MN равен отрезку ОР.

Эта теорема позволяет «откладывать» отрезки. Кроме того, она позволяет ввести понятия «больше» и «меньше» для отрезков, причем для любых двух отрезков AB и CD выполнено одно и только одно из соотношений

AB<CD, /Ш=СД AB>CD.

Следующую теорему мы назовем теоремой Дедекинда. Ввиду ее важности мы приведем не только формулировку, но и доказательство этой теоремы.

Теорема 11. Если все точки прямой I разбиты на два [непустые) класса таким образом, что между двумя точками одного и того же класса не лежит ни одной точки другого класса, то существует точка и притом единственная, принадлежащая любому отрезку, концы которого принадлежат разным классам.

Доказательство. Пусть А1 и Вг—две точки прямой /, принадлежащие разным классам; класс, содержащий точку Av обозначим символом 1, а класс, содержащий точку В1 — символом II. Пусть С— произвольная точка, лежащая между Ах и Вх (теорема 2). Отложим на луче ВХАХ отрезок BXD, разный отрезку Afi (теорема 10). Так как AXC<AXBV то и BlD<AlBv и потому точка D лежит на отрезке АХВХ. Возможны три случая: точка С совпадает с D, точка С лежит между Аг и Д точка D лежит между Л1 и С. В первом случае А1С = СВ1, т. е. отрезок A fi два раза откладывается на отрезке АХВХ. Во втором случае мы имеем: Afi=DBl<CBv и потому отрезок Afi не менее чем два раза откладывается на отрезке АХВХ. В третьем случае отрезок AXD не менее чем два раза откладывается на отрезке А1ВХ. Итак, в любом случае существует такой отрезок, который не менее чем два раза откладывается на отрезке AXBV

Выберем такой отрезок и будем откладывать на луче А1В1 от точки Ах отрезки AXMV МхМг, М2М9, равные этому отрезку. В силу аксиомы 16° найдется такое число что точка Вг лежит на отрезке Mk_xMk, т. е.

АХМХ = МХМ% = МгМ= ... = Mk_2Mk.^ МЛ_ХВХ.

Каждый из отрезков АХМ1% МХМ2, Mk_2Mk_v а тем более «остаток» Mk_xBx откладывается на отрезке АХВХ не менее чем два раза.

Из условия теоремы легко вытекает, что в последовательности точек Ах% Mv Mv Mk_v Вг несколько первых (подряд) принадлежат классу 1, а остальные — классу 11. Пусть, например, точка М,

лежит в классе I, а точка Mi+l — в классе II; тогда мы обозначим точку М{ через А2У а точку Mi+l — через В2. (Если точка М1 принадлежит классу II, то за А2 мы примем точку Ах, а за В2 — точку Ж,; аналогично, если точка Mk_x принадлежит классу I, то за Аг мы примем точку Mk_x, а за В2 — точку Bv)

Итак, мы получили такие две точки Л2, В2, лежащие на отрезке АХВХ, что точка А2 принадлежит классу I, точка В2 принадлежит классу II и отрезок А2В2 откладывается на отрезке А1В1 не менее чем 2 раза.

Исходя из точек А2, В2У мы аналогичным образом сможем построить такие две точки Ла, ВЗУ лежащие на отрезке А2В2У что точка Аь принадлежит классу 1, точка В2 принадлежит классу II и отрезок А2В2 откладывается на отрезке А2В2 не менее чем 2 раза. Следовательно, отрезок АгВ3 откладывается на отрезке AYBX не менее чем 4 раза, т. е. более чем 3 раза.

Продолжая это построение, мы найдем такие точки Av Л2, ... S„ В2, ...,что при любом п точка Ап принадлежит классу I, точка Вп принадлежит классу II; кроме того, точки Ап и Вп расположены на отрезке Ап_1Вп_1, и отрезок АпВп откладывается на отрезке АХВХ не менее чем п раз.

В силу аксиомы 17° существует такая точка С, которая принадлежит отрезку АпВп при любом п. Мы докажем, что точка С является искомой. Прежде всего докажем, что для любой отличной от С точки D, взятой на прямой /, найдется такое л, для которого отрезок АпВп не содержит точки D (а значит, при т^п отрезок АтВт не содержит точки D). Для этого обозначим через п такое натуральное число, что отрезок CD откладывается менее п раз на отрезке АХВХ (т. е. при откладывании на отрезке АХВХ отрезков Л1Р1 —РХР2 -= = Р2Р8=..., равных отрезку СД мы получим, что точка Вх лежит между Ах и Рп\ существование такого п вытекает из аксиомы 16°). Если бы теперь отрезок АпВп содержал точку D, то (так как этот отрезок содержит и точку С) мы получили бы CD<AnBn, и потому отрезок АпВп не мог бы п раз откладываться на отрезке AXBV а это противоречит выбору точек Ап и Вп. Полученное противоречие показывает, что точка D не принадлежит отрезку АпВп.

Пусть теперь M — произвольная, отличная от С точка класса I, а N—произвольная, отличная от С точка класса II. Выберем настолько большое число /г, что ни одна из точек Ж, N не содержится на отрезке АпВп. Точка M не расположена между Ап и Вп в силу выбора числа п. Точка Вп не расположена между Ап и Ж, так как обе точки у4д, M принадлежат классу I, а точка Вп — классу II. Следовательно, точка Ап расположена между M и Вп (см. аксиому 9°). Аналогично, точка Вп расположена между Ап и N. Из этого следует, что обе точки АпУ Вп расположены на отрезке МЛ/, и потому точка С лежит на отрезке MN (см. теорему 4), т. е. С лежит между M и Л7.

Итак, если M и Л/ — отличные от С точки, принадлежащие различным классам, то С лежит между M и N. Покажем, наконец, что С—единственная точка, обладающая этим свойством. Пусть D—точка, отличная от С. Пусть, далее, M—произвольная точка, лежащая между D и С, а N—точка, лежащая не в том классе, в котором лежит точка М. Так как точка M лежит между D и С, то отрезок MN не может содержать обе точки С, D. Точку С этот отрезок содержит (ибо M и N принадлежат различным классам); следовательно, отрезок MN не содержит точки D. Таким образом, точка D не обладает указанным свойством.

Итак, существует одна и только одна точка С, обладающая тем свойством, что всякий отрезок, концы которого принадлежат различным классам, содержит точку С. Отсюда и вытекает справедливость теоремы.

Теорему 11 иногда принимают за аксиому вместо аксиом Архимеда и Кантора, которые в этом случае выводятся из этой аксиомы как теоремы; в этом случае эту аксиому называют аксиомой Дедекинда, так как она по существу совпадает с предложенной Дедекиндом аксиомой непрерывности поля действительных чисел (см. стр. 31).

6.6. Аксиома параллельности.

18°. Через точку А, не лежащую на прямой I, можно провести в их плоскости не более одной прямой, не пересекающей прямую I.

Две прямые, лежащие в одной плоскости и не имеющие общих точек, условимся называть параллельными. С помощью других аксиом доказывается

Теорема 12. Через точку А, не лежащую на прямой I, всегда можно провести хотя бы одну прямую, параллельную I.

Поэтому из аксиомы параллельности следует, что через точку, не лежащую на прямой, можно провести единственную прямую, параллельную этой прямой.

Аксиома параллельности уже встречалась нам в § 3 как аксиома, эквивалентная V постулату Евклида.

Аксиомой параллельности и завершается список аксиом евклидовой геометрии. С помощью этих аксиом и сформулированных выше теорем можно теперь доказывать все теоремы евклидовой геометрии: признаки равенства треугольников (угол определяется как совокупность двух лучей, исходящих из одной точки), соотношения между сторонами и углами в треугольнике, теорему о сумме углов треугольника и т. д., и т. д. Доказательства будут по существу те же, что и в школьном курсе геометрии, но более последовательно проведенные (так как школьные доказательства используют не только аксиомы и указанные выше теоремы, но и нередко используют ссылки на чертеж).

Изложенная система аксиом пространства Евклида представляет собой модификацию системы аксиом, предложенной в конце XIX века немецким математиком Д. Гильбертом. Система Гильберта, за исключением некоторых частностей, отличается от изложенной системы тем, что вместо понятия «движение» Гильберт считает основным понятием «конгруэнтность» («равенство»), т. е. то, что с нашей точки зрения можно определить как совместимость с помощью движения, а аксиому Кантора Гильберт формулировал как «аксиому полноты», в силу которой к пространству нельзя добавить новые точки, так чтобы продолжали выполняться все аксиомы. Аксиомы движения были предложены в начале XX века Ф. Шуром.

Таким образом, в изложенной нами системе аксиом основными понятиями геометрии являются точка, прямая, плоскость и движение, которые не определяются, но взаимоотношения между которыми выясняются из аксиом. Возможны и другие системы аксиом пространства Евклида, в которых за основные понятия принимаются другие объекты; так, у Гильберта вместо понятия «движение» неопределяемым считалось понятие «конгруэнтности»; в аксиоматике известного русского геометра В. Ф. Кагана за основу бралось понятие «расстояния» и т. д. Пример одной из аксиоматик евклидовой геометрии, отличной от изложенной здесь, приведен в статье о векторах в этой книге ЭЭМ (стр. 369 — 370). Разумеется, различные аксиоматики евклидовой геометрии эквивалентны друг другу, т. е., исходя из одной аксиоматики, можно доказать аксиомы другой аксиоматики, как теоремы, и наоборот.

Отметим в заключение, что вычеркивая в приведенном выше списке аксиом аксиомы 4°—8°, относящиеся к пространству, мы получим систему аксиом евклидовой плоскости (при этом в некоторых аксиомах надо произвести очевидные изменения; например, следует изменить понятие «репера», выбросив из него полупространство).

§ 7. Непротиворечивость и полнота аксиоматики евклидовой геометрии

7.1. Арифметическая модель геометрии Евклида. Теперь, когда мы имеем полный список аксиом геометрии, можно поставить вопрос о непротиворечивости геометрии Евклида и о полноте приведенной аксиоматики. Для доказательства непротиворечивости мы должны средствами арифметики (ничего другого у нас пока нет) построить модель евклидовой геометрии; для доказательства полноты следует установить, что любые две модели евклидовой геометрии изоморфны. И непротиворечивость, и полнота доказываются с помощью одного и того же приема — построения системы координат. Для простоты мы проведем эти построения не в пространстве, а только на евклидовой плоскости, и притом очень схематично.

Прежде всего мы установим взаимно однозначное соответствие между точками прямой и действительными числами. Пусть О и А1 — две различные точки прямой. Отложим на луче ОА1 отрезки АХА%, АгАг, равные отрезку ОАх. На втором луче, определяемом точкой О на прямой ОА1 (см. теорему 5) отложим отрезки OBv ВХВ%, B2BS1 равные отрезку OAv Разделив теперь отрезок ОАг на 10 равных частей1) точками О, Cv С2, С9, Av мы сможем на каждом из отрезков

...ад, BtBv Bfi, OAv АХА2, AtA9... (*)

отложить десять отрезков, равных OCv Затем можно каждую десятую часть разделить еще на 10 частей и т. д. Точке А{ мы поставим в соответствие целое число /( = 1, 2, ...); точке О поставим в соответствие число 0, точке В{ поставим в соответствие число — г(/=1, 2, ...). Далее, точкам Cv С2, С9, делящим отрезок ОА1 на 10 равных частей, мы поставим в соответствие числа “Л)' ТО' *** ÏÔ* Деля остальные отрезки (*) на 10 равных частей, мы получим точки, соответствующие числам ~, где п—любое целое число. Точно таким же образом мы можем построить точки, соответствующие любым дробям вида -^k.

Если теперь M—произвольная точка нашей прямой, то при помощи аксиомы Архимеда мы можем найти такое целое число п, что точка M находится на отрезке с концами в точках, соответствующих числам п и но не совпадает с точкой, соответствующей числу п + 1. Затем мы можем найти такое число ах ( = 0,1, 2,..., 9), что точка M находится на отрезке с концами в точках, соответствующих числам я + у^ и п+ ^ , но не совпадает с второй из этих точек. Затем мы найдем такое число аа(=0,1, 2, 9), что точка M находится на отрезке с концами в точках, соответствующих числам fl + yg+fjp и я+ш + ^н!^' И Т* Ä* Теперь точке M мы поставим в соответствие действительное число /г“т-уд + уо* + у^+-.-

Построенное соответствие между точками прямой линии и действительными числами является взаимно однозначным. Кроме того, оно обладает следующими двумя важными свойствами: а) если х, у, z—

1) Напомним, что для этого используется следующая теорема: если на одной прямой отложены равные между собой отрезки и через их концы проведены параллельные между собой прямые до пересечения с другой прямой, то на этой прямой при пересечении с параллельными также образуются равные между собой отрезки. Доказательство этой теоремы проводится так же, как в школьных учебниках.

три действительные числа, удовлетворяющие неравенствам x<y<z (или x>y>z), a M, N, Р—точки, соответствующие числам х, у, z, то точка N находится между Ж и Я; б) если х — х' = у—у', то точки М, M', N, N\ соответствующие числам х, х', у, у', обладают тем свойством, что отрезок ММ' равен отрезку NN'. Из существования этого соответствия ясна аналогия между аксиомами порядка и непрерывности поля действительных чисел и пространства Евклида.

Мы видим, что если Евклид понимал под «прямой линией» прямолинейный отрезок, для которого он требовал только возможности неограниченного продолжения, здесь под «прямой» имеется в виду сразу вся прямая; аналогично обстоит дело с понятием плоскости.

Введем теперь на плоскости систему координат, т. е. рассмотрим две взаимно перпендикулярные прямые, пересекающиеся в точке О, выберем из них равные отрезки ОАг и ОАх и для каждой из этих прямых установим указанным выше способом взаимно однозначное соответствие между точками прямой и действительными числами. Введение координатной системы позволяет обычным способом сопоставить с каждой точкой плоскости пару чисел х, у—координат этой точки. Таким путем устанавливается взаимно однозначное соответствие между точками плоскости и парами (х, у) действительных чисел.

Точки, лежащие на одной прямой, удовлетворяют уравнению первой степени

А*+Ду+С=0, (**)

в котором хотя бы один из коэффициентов А, Б отличен от нуля. Если три точки M, N, Р лежат на одной прямой, то точка M лежит между N и Р в том и только в том случае, если она не совпадает ни с одной из точек N, Р и координаты х этих точек связаны одним из соотношений

xN<xM<xp или xN^xM'^xp

и аналогично для координат у. Наконец, каждое движение плоскости изображается преобразованием вида

х' = агх + Ьгу+сх%

у' = агх + Ь^у + сг,

для которого векторы (av а2) и (bv b%) являются единичными и взаимно перпендикулярными (т. е. а\-\- а\= 1, Ь\+Ь\= 1 а^+а^^О).

7.2. Непротиворечивость и полнота аксиоматики евклидовой плоскости. Изложенные факты позволяют доказать и непротиворечивость, и полноту аксиоматики геометрии. В самом деле, все аксиомы евклидовой плоскости выполняются, как нетрудно проверить, на арифметической модели, в которой точкой считается каждая пара (je, у) действительных чисел, прямой называется множество всех точек, удовлетворяющих некоторому уравнению вида (**), понятие

«между» и движения определяются указанным выше способом. Мы не будем проверять выполнение всех аксиом на арифметической модели. Укажем лишь для примера, mtj если (л^, ух) и (х2, у2)—две различные точки, то существует единственная прямая, проходящая через эти две точки, а именно прямая

(X —хг )(уг—у1) — (у-~У1) (*» —*,) = ().

(Заметим, что от умножения всех коэффициентов уравнения (**) на одно и то же число прямая не меняется.) Этим проверяется аксиома 1°. Весьма просто проверяются и остальные аксиомы.

Существование арифметической модели показывает непротиворечивость аксиом евклидовой геометрии. Далее, рассуждения, проведенные в начале параграфа, доказывают, что любая модель евклидовой плоскости изоморфна арифметической модели (изоморфизм устанавливается введением системы координат). Таким образом, любые две модели евклидовой плоскости изоморфны арифметической модели и потому изоморфны между собой. Тем самым установлена полнота аксиоматики.

Отметим в заключение, что арифметическая модель пространства (а не плоскости) Евклида строится аналогично, только точками считаются тройки (х, у, z) действительных чисел.

§ 8. Независимость аксиом

8.1. Независимость системы аксиом. Открытие Лобачевского, приведшее к развитию аксиоматического метода, непосредственно связано с вопросом о независимости аксиом. Некоторая аксиома считается независимой от остальных аксиом некоторой аксиоматики, если ее нельзя доказать, как теорему, исходя из остальных аксиом.

При аксиоматическом построении любой математической теории естественно стремиться к тому, чтобы среди аксиом не было «лишних», т. е. таких, которые могут быть выведены, как теоремы, из остальных аксиом. Исторически одним из первых проявлений этого стремления явилось исключение четвертого постулата Евклида (о равенстве всех прямых углов, см. стр. 15) из числа аксиом. Последовательное проведение этой точки зрения приводит в конце концов к построению «минимальной» аксиоматики, т. е. такой, что каждая из ее аксиом не зависит от остальных. Следует, однако, иметь в виду, что требование независимости аксиоматики, совершенно естественное логически и эстетически, совсем не играет сколько-нибудь существенной роли. Более того, с точки зрения удобства изложения аксиоматической теории часто бывает удобно принять за основу заведомо избыточную аксиоматику, позволяющую проще и быстрее получать необходимые следствия.

Для доказательства независимости какой-нибудь аксиомы от остальных достаточно построить новую систему аксиом, отличаю-

щуюся от старой только заменой этой аксиомы на противоположную, и доказать непротиворечивость полученной системы; непротиворечивость системы аксиом, как всегда, доказывается с помощью построения модели, в которой выполняются все аксиомы системы. Так, например, аксиоматика группы (аксиомы 1° и 2° на стр. 27) является независимой. Моделью, в которой выполняется аксиома 1°, но не выполняется аксиома 2°, может служить, например, множество всех целых чисел с обычной операцией умножения: уравнение тх = п, где m и п—целые числа, не всегда имеет целочисленное решение. Модель, в которой выполняется аксиома 2°, но не выполняется аксиома 1°, можно построить, например, из трех элементов ау Ь, с со следующей «таблицей умножения»:

аа = bb= сс = я, ab = bc = ca = b, ac = ba = cb = с.

Легко проверить, что в этой модели аксиома 2° действительно выполняется; например, уравнения

ах = Ь, уа = b

имеют решения х = Ь, у = с. В то же время аксиома 1° не выполняется:

(bb) b = ab = b, b (bb) = ba = c.

8.2. О независимости аксиоматики евклидовой геометрии. Разумеется, ввиду большого числа аксиом геометрии вопрос о независимости приведенной выше аксиоматики геометрии весьма сложен. Существование неевклидовой геометрии Лобачевского доказывает независимость аксиомы параллельности от остальных аксиом геометрии Евклида. Системой аксиом геометрии Лобачевского и является та система аксиом, которая получается из приведенной нами аксиоматики геометрии Евклида заменой аксиомы 18° аксиомой Лобачевского: «Через точку вне прямой можно провести в ее плоскости более одной прямой, не пересекающей данную прямую». Непротиворечивость геометрии Лобачевского доказывается с помощью моделей, наиболее важные из которых были построены во второй половине XIX века Э. Бельтрами, Ф. Клейном и А. Пуанкаре (см. статью о не евклидовых геометриях в пятой книге ЭЭМ).

Аналогичным приемом можно доказать независимость аксиом непрерывности. Независимость аксиомы Архимеда доказывается при помощи построения «неархимедовой геометрии», моделью которой может служить совокупность троек чисел (х, у, z), являющихся уже не действительными, а комплексными числами, причем соотношение «больше» в поле комплексных чисел устанавливается следующим образом: число a-\-bi считается большим числа a' -f- b'U если b>b\ или в случае, когда b = b\ если а>а'. Поэтому, если в поле действительных чисел для всяких двух чисел а и Ь, из которых

существует такое натуральное число п, что nb>a (это свойство действительных чисел и обеспечивает выполнение аксиомы Архимеда на прямой), то в поле комплексных чисел существуют такие числа а и ß, для которых a>ß, но не существует натурального числа /г, для которого имело бы место неравенство /zß>a. Такими числами являются, например, / и 1, так как при всех п произведение п-1 меньше L Это свойство комплексных чисел и обеспечивает невыполнение аксиомы Архимеда на прямой в указанной модели неархимедовой геометрии.

Независимость аксиомы Кантора доказывается при помощи «неканторовой геометрии», моделью которой является совокупность троек чисел Ху у, z, являющихся действительными числами, но не произвольными, а принадлежащими к полю, элементы которого получаются из единицы применением конечного числа сложений, вычитаний, умножений, делений и извлечений квадратного корня1). Поэтому, если на прямой y = z*=0 заданы отрезки AXBV А2В2, удовлетворяющие условию аксиомы Кантора, причем значения х для точек Ах% Bv А2, В2, ...—рациональные числа, стремящиеся при п—► со к действительному числу, не входящему в указанное поле, то точки С, существование которой утверждается аксиомой Кантора, в этой модели не существует. По существу сам Евклид рассматривал не то, что мы называем «пространством Евклида», а именно это неканторово пространство (см. выше, текст на стр. 15—16).

Особую роль в аксиоматике геометрии играет аксиома 8°, содержание которой по существу сводится к утверждению, что пространство имеет три измерения. Независимость этой аксиомы от остальных доказывается, например, построением модели четырехмерного пространства Евклида. В статье «Многомерные пространства» в книге V ЭЭМ читатель найдет описание и четырехмерного пространства и пространств любого (конечного) числа измерений. В математике рассматриваются также «бесконечномерные» пространства. Они играют весьма важную роль в современной математике и физике.

8.3. Заключение. Как мы видим, вопрос о независимости системы аксиом евклидовой геометрии приводит к рассмотрению многих новых «геометрических пространств», весьма сильно отличающихся по своим свойствам от привычного нам пространства Евклида.

Весьма интересно, например, «конечное пространство», которое получается при замене поля действительных чисел конечным полем, скажем, полем вычетов целых чисел по простому числу. В «конечном пространстве» имеется лишь конечное число точек на каждой прямой, на каждой плоскости и во всем пространстве, а также конечное число прямых и плоскостей. «Конечные пространства» являются простейшими

1) Эта модель тесно связана с геометрическими построениями. См. в этой книге ЭЭМ статью: «О разрешимости задач на построение с помощью циркуля и линейки», стр. 203—227.

примерами «дискретных пространств», в которых отсутствуют предельные точки и непрерывность.

Определенные таким образом абстрактные пространства, которые можно строить самыми разнообразными способами, позволяют создавать такие пространственные схемы, с помощью которых мы получаем возможность более точно отражать реальное, физическое пространство, чем с помощью схемы пространства Евклида. Кроме того, эти абстрактные пространства широко применяются в математике, а через нее имеют новые приложения к реальному миру.

Еще Лобачевский (а также и К. Ф. Гаусс) поставил задачу об экспериментальной проверке того, какая геометрия действительно имеет место в реальном мире: геометрия Евклида или Лобачевского. Как доказано в общей теории относительности, пространство (и время) реального мира с весьма большим приближением выражается так называемой римановой геометрией, открытой в середине XIX века немецким математиком Б. Риманом (см. статью о неевклидовых геометриях в книге V ЭЭМ).

Однако и эта пространственная схема является далеко не последним приближением. Многие физики считают, что целый ряд затруднений и противоречий в математическом аппарате современной квантовой физики объясняется тем, что квантовые, дискретные явления описываются в непрерывном пространстве, и для преодоления этих затруднений следует перейти к дискретному, квантованному пространству. Тот факт, что непрерывное пространство вполне удовлетворяет требованиям классической физики, нисколько не противоречит этому, так же как требованиям классической гидродинамики и электродинамики удовлетворяет представление о жидкости и электромагнитном поле как о непрерывных средах, в то время как на самом деле жидкость состоит из дискретных молекул, а электромагнитное поле состоит из дискретных квантов. Таким образом, вполне возможно, что геометрия вернется к представлениям Демокрита о дискретных атомах пространства, разумеется, не в столь наивной форме. В этом случае примут существенно новый вид и основные понятия геометрии.

Мы видели, что представления об основных понятиях геометрии и их взаимоотношениях неоднократно изменялись в ходе развития науки. Новые научные открытия будущего, несомненно, приведут к дальнейшим изменениям и в наших геометрических представлениях.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Д. Гильберт, Основания геометрии, перев. с нем., М.—Л., Гостехиздат, 948.

Классическое сочинение замечательного немецкого математика, содержащее одно из первых аксиоматических построений геометрии, а также тщательный логический анализ предложенной аксиоматики. В русском издании перевод замечательной книги Гильберта сопровождается комментариями редактора П К- Рашевского, заметно облегчающими чтение этого нелегкого сочинения, и содержательной вводной

статьей того же автора, в которой обсуждаются общие вопросы аксиоматического построения геометрии и разбирается аксиоматика Гильберта

(2| П. К. Рашевский, Геометрия и ее аксиоматика, Сборник «Математическое просвещение», вып. 5, М., Физматгиз, 1960, стр. 73—98.

Научно-популярная статья, близкая к вступительному очерку, предваряющему русское издание «Оснований геометрии» Д. Гильберта.

{3] В. Ф. Каган, Очерки по геометрии, М., Изд. Московского университета, 1963.

Первый раздел этой книги замечательного ученого и популяризатора математики целиком посвящен вопросам логического обоснования геометрии. В конце книги содержится «Приложение», дающее представление об оригинальной аксиоматике евклидовой геометрии, разработанной автором.

[4] H. В. Ефимов, Высшая геометрия, изд 4-е, М., Физматгиз. 1961.

Учебник для студентов университетов по курсу высшей геометрии, включающий учение об основаниях геометрии, проективную и неевклидову геометрии. Вопросам, примыкающим к рассматриваемым в настоящей статье, посвящены главы I, II и IV книги.

|5] В. И. Костин, Основания геометрии, М., Учпедгиз, 1948.

(3] Я. Л. Трайнин, Основания геометрии, М., Учпедгиз, 1961.

Книги 5 и 6 представляют собой учебники для студентов педагогических институтов по курсу оснований геометрии, включающие учение об аксиоматическом построении геометрии и элементы неевклидовой геометрии Лобачевского.

|7] «Начала» Евклида, тт. 1—III, перев. с греч., М., Гостехиздат, 1948—1950.

Классическое сочинение, содержащее первый дошедший до нас опыт дедуктивного построения геометрии.

[8] Б. Л. ван дер Варден, Пробуждающаяся наука, перев. с голланд. М., Физматгиз, 1959.

Историко-математическое сочинение видного голландского математика, в котором, в частности, прослежено зарождение учения об основаниях геометрии в древнем мире.

См. также указанный в конце статьи «Геометрические построения» учебник Д. И. Перепелкина, содержащий полный курс геометрии, базирующийся на удачно выбранной, заведомо не независимой системе аксиом.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

§ 1. Понятие преобразования. Примеры................ 50

1.1. Геометрические отображения................ 50

1.2. Геометрические преобразования................ 52

1.3 Некоторые типы геометрических преобразований....... 60

§ 2. Применение преобразований к решению геометрических задач . . 63

2.1. Некоторые примеры.................... 63

2.2. Применение симметрии.................... 66

2.3. Использование геометрических преобразований для «симметризации» чертежа........................ 68

§ 3. Аналитическая запись геометрических преобразований...... 72

3.1. Запись геометрических отображений в координатах..... 72

3.2. Аналитические методы изучения преобразований....... 74

3.3. Линейные преобразования.................. 75

3.4. Комплексные координаты точек круговой плоскости..... 77

3.5. Бирациональные преобразования............... 79

§ 4. Произведение отображений и преобразований........... 80

4.1. Определение произведения отображений; примеры...... 80

4.2. Некоторые общие свойства произведения преобразований ... 85

4.3. Произведения движений; классификация движений...... 86

4.4. Применения........................ 89

4.5. Дальнейшие примеры произведения преобразований..... 92

§ 5. Обратное преобразование..................... 96

5.1. Определение обратного преобразования........... 96

5.2. Инволюции.......................... 97

§ 6. Общее определение геометрии. Группы геометрических преобразований ............................... 98

6.1. Предмет геометрии...................... 98

6.2. Геометрия и группы преобразований............. 101

6.3. Различные геометрии. Аффинная геометрия......... 102

6.4. Группы преобразований в физике............... 108

§ 7. Группа проективных преобразований............... 110

7.1. Гомология.......................... 110

7.2. Проективная плоскость.................... 112

7.3. Применения гомологии к решению задач........... 114

7.4. Проективные преобразования и проективная геометрия ... 117

7.5. Координаты в проективной плоскости............ 117

7.6. Бирациональные преобразования проективной плоскости . . .119

§ 8. Неточечные отображения.................... 121

8.1. Примеры неточечных преобразований............. 121

8.2. Неточечные преобразования в геометрии окружностей .... 124

8.3. Полярное отображение. Принцип двойственности в проективной геометрии........................128

8.4. Подерное преобразование...................134

8.5. Группы неточечных преобразований.............136

§ 9. Принцип перенесения.......................140

9.1. Введение...........................140

9.2. Принцип перенесения, отвечающий сжатию к прямой .... 141

9.3. Принцип перенесения, отвечающий инверсии ........143

9.4. Принцип перенесения, отвечающий полярному отображению 146

9.5. Принцип перенесения и модели геометрических систем .... 156

Литература..............................157

§ 1. Понятие преобразования. Примеры

1.1. Геометрические отображения. Одним из основных понятий современной математики является понятие функции1). Переменная у называется функцией переменной величины х (записывается: у=/(х)), если каждому значению х, взятому из какого-то допустимого множества значений (область определения функции) отвечает единственное значение у. При этом правило, позволяющее определить у по данному значению х, может быть задано аналитическими формулами или просто таблицей, в которой перечислены все значения X и отвечающие им у (этот способ задания функции особенно удобен в том случае, если х может принимать лишь конечное число значений), или каким-либо другим способом (например, словесным описанием, как в случае известной функции Дирихле: каждому рациональному значению х отвечает значение у = 1, а иррациональному х-значение у = 0).

Заметим, что в определении функции вовсе не требуется, чтобы переменные X и у обязательно представляли собой действительные числа. Напротив, в современной математике принимают, что х и у могут быть элементами совершенно произвольной (возможно различной!) природы— комплексными числами2), точками плоскости или пространства, какими-либо геометрическими фигурами, прямыми или произвольными линиями и т. д. Так можно сказать, что центр, а также радиус окружности являются функциями этой окружности (здесь область определения функции состоит из всех окружностей, а ее значения являются точками или числами). В последнее время большое место в математике заняло изучение функций у = /(#), где х или даже и х, и у сами являются функциями в старом смысле этого слова, т. е. числовыми функциями3).

1) Ср. ЭЭМ, кн. III, статью «Элементарные функции действительного переменного Примеры последовательностей функций. Общее понятие функции», §§ 46 и 54.

2) Функциям комплексного переменного посвящена специальная статья в кн III ЭЭМ («Элементарные функции комплексного переменного»)

3) Изучением функций такого рода занимается в современной математике специальная большая наука—функциональный анализ. Функции y = f(x), где x = x(t) есть функция какого-то переменного /,

В геометрии особо важную роль играют функции у=ф(х), где как Ху так и у являются точками плоскости или пространства. В таком случае слово «функция» заменяют обычно выражением «геометрическое (точечное) отображение». Таким образом, геометрическое отображение представляет собой не что иное, как определенный вид функциональной зависимости y=f(x), где как «аргумент» х, так и «значение функции» у являются точками.

Итак, для задания геометрического (точечного) отображения Ф надо указать: 1) некоторую фигуру (точечное множество) ЛУ называемую областью определения отображения Ф; 2) некоторую фигуру Л', называемую областью значений отображения Ф, и 3) некоторое правило, сопоставляющее с каждой точкой А области Л определенную точку А'=Ф(А) области Л'. Если данное отображение Ф переводит точку А в точку А' (т. е. ф(Л)=Л'), то точку А' называют образом точки А при отображении Ф. Пусть теперь L — некоторая линия (или фигура), целиком расположенная в области Л. Если точка А пробегает линию (или фигуру) L, то образ А' = Ф(А) этой точки также пробегает некоторое множество точек L', расположенное в области Л'. Это множество V называется образом множества L при отображении Ф, что записывается так: U =ф(1).

Пример 1. Отображение Ф определим следующим образом. Примем за область определения Л всю плоскость, а за область значений Л' — некоторую прямую плоскости Л. Условимся, наконец, с каждой точкой А плоскости Л сопоставлять точку А', являющуюся ортогональной проекцией точки А на прямую Л' (рис. 1). Очевидно, что если L — прямая, не перпендикулярная Л', то ее образ //=Ф(1) совпадает со всей прямой Л'\ образ Ф(£,) прямой Lv которая перпендикулярна Л', представляет собой одну точку на прямой Л'\ образ Ф(£) любой окружности S (или любого треугольника Г, рис. 2) является отрезком.

Пример 2. Введем на плоскости некоторую (прямоугольную) систему координат XOY. Отображение Ф определим, принимая за а у — число например, у = называются функционалами, а функции у = F (х), где и x = x(t) и y = y(t) есть числовые функции например, y(t) = x'(t) или называются функциональными операторами В функциональном анализе функционалы играют ту же роль, которую в обыкновенном анализе играют числовые функции (одного или нескольких переменных); роль функциональных операторов близка к роли геометрических преобразований.

область определения и за область значений всю плоскость Л и сопоставляя с произвольной точкой А с координатами (ху у) точку Л'=Ф(Л), имеющую координаты (sinx, sin у).

Рис. 1. Рис: 2.

Пример 3. В качестве последнего примера укажем на врашение (поворот) плоскости^ вокруг точки О на угол а. Для этого отображения и область определения, и область значений совпадают со всей плоскостью Л\ образ точки А определяется как такая точка А' плоскости, что OA' = OA и ^/ЖХ4' = а, причем направление вращения от OA к OA' на угол а (по часовой стрелке или обратное ее движению) указано заранее (рис. 3).

1.2. Геометрические преобразования. Между рассмотренными выше примерами 1, 2, с одной стороны, и примером 3 — с другой стороны, имеется существенное различие. Отображения, рассматриваемые в примерах 1 и 2, таковы, что существуют две различные точки, образы которых совпадают, т. е. точки АфВ, для которых Ф(А) = Ф(В). Например, если в качестве В взять любую точку прямой АА' (рис. 1), то для отображения Ф, рассмотренного в примере 1, мы имеем ф(А) = Ф(В). Аналогично две точки

А(х, у) и В(х + 2пу у — 4я)

переводятся отображением Ф примера 2 в одну и ту же точку. Кроме того, отображение Ф, рассмотренное в примере 2, таково, что не каждая точка выбранной нами области значений Л'(=Л) является

Рис. 3.

образом какой-либо точки при отображении Ф. Например, точка с координатами ^2, —не является образом никакой точки (ибо не существует действительного числа х, для которого sin* = 2). Эти обстоятельства выражаются следующим образом: отображения, рассмотренные в примерах 1 и 2, не являются взаимно однозначными.

Отображение Ф с областью определения Л и областью значений Л' называется взаимно однозначным, если, во-первых, ни для каких двух различных точек А и В области Л их образы Ф(А) и Ф(В) не совпадают и, во-вторых, каждая точка области Л' является образом некоторой точки при отображении Ф

Грубо говоря, взаимно однозначное отображение Ф можно охарактеризовать тем, что никакие две различные точки не «склеиваются» в результате отображения Ф и, кроме того, Ф отображает область Л не на часть области Л', а на всю эту область.

Наибольшую роль в геометрии играют такие взаимно однозначные отображения, для которых область определения Л совпадает с областью значений. Такие отображения называются преобразованиями множества Л. Само множество Л мы будем при этом называть областью действия преобразования Ф. Итак, преобразованием множества Л (или, иначе, преобразованием с областью действия Л) называется всякое взаимно однозначное отображение Ф, для которого область определения и область значений совпадают с Л.

Отображение Ф, рассмотренное в примере 3 (вращение плоскости Л на угол а вокруг точки О), является, очевидно, примером преобразования плоскости (т. е. преобразования, областью действия которого является вся плоскость).

В дальнейшем мы ограничимся в этой статье рассмотрением только преобразований1), причем таких преобразований, областью действия которых служит плоскость или «почти плоскость»2). Точнее говоря, мы вынуждены будем в ряде случаев считать областью действия преобразования Ф не всю плоскость, а плоскость с «выколотыми» (т. е. удаленными) точками или линиями. Иногда, напротив, мы будем присоединять к плоскости новые («несобственные», т. е. не существующие с точки зрения школьного курса геометрии) точки или линии. Так как во всех случаях основой для конструирования области действия преобразования Ф будет служить плоскость, то,

1) Отображения, не являющиеся преобразованиями, также играют в некоторых вопросах геометрии заметную роль. Например, разного вида проекции трехмерного пространства на плоскость, подробно изученные в статье «Методы изображений» (стр. 233—234 этой книги ЭЭМ), очевидно, преобразованиями не являются.

2) В настоящей статье мы почти не будем говорить о преобразованиях пространства, поскольку более простого случая плоскости достаточно, для того чтобы осветить все принципиальные моменты теории геометрических преобразований.

допуская некоторую неточность, мы будем объединять все рассматриваемые преобразования одним общим названием — преобразования плоскости.

Приведем еще несколько примеров преобразований плоскости.

Пример 4. Выберем на плоскости какое-либо направление ММ' (его можно задать, например, прямой со стрелкой); зададим также определенный отрезок а (рис. 4). Каждой точке А плоскости мы поставим в соответствие такую точку Л', что отрезок АА' имеет направление ММ' и длину а. Построенное преобразование Ф называется параллельным переносом плоскости в направлении ММ' на величину а (или переносом на вектор ММ'=а1)).

Пример 5. Выберем на плоскости определенную точку О и с каждой точкой А сопоставим такую точку А', что отрезок АА' проходит через точку О и делится в ней пополам (рис. 5); если точка А совпадает с Р, то и А' не отличается от О. Определенное таким образом преобразование плоскости называется симметрией относительно точки О. Легко видеть, что симметрия относительно точки О есть частный случай вращения—она совпадает с вращением вокруг точки О на угол 180°.

Рис. 4.

Рис. 5.

Рис. 6.

1) См статью «Векторы и их применения в геометрии» (стр. 291—381 этой книги ЭЭМ).

Пример 6. Зададим на плоскости некоторую прямую о и сопоставим с каждой точкой А такую точку А', что отрезок АА' перпендикулярен прямой о и делится этой прямой пополам (рис. 6); точкам прямой о мы поставим в соответствие те же самые точки. Полученное преобразование плоскости называется симметрией относительно прямой о.

Пример 7. Выберем на плоскости точку О и сопоставим с каждой точкой А такую точку А' луча OA, что = где —заданное положительное число (рис. 7); точке О поставим в соответствие эту же самую точку. Это преобразование называется сжатием к точке О1) или центрально-подобным преобразованием или, наконец, гомотетией2) (с центром О и коэффициентом k).

Часто считают, что коэффициент k гомотетии может быть также и отрицательным числом; в этом случае за А' принимают такую точку прямой OA, что Q^4“= 1^1 и направления отрезков OA' и OA (от О к А' и от О к А) противоположны. Если стать на такую точку зрения, то надо будет считать, что симметрия относительно точки (пример 5) представляет собой частный случай гомотетии— это есть не что иное, как гомотетия с коэффициентом к — — 1.

Пример 8. Зададим некоторую прямую о плоскости и сопоставим с каждой точкой А такую точку А', что точки А и А' лежат по одну сторону от прямой о, прямая АА' перпендикулярна о и расстояния АО и А'О точек А и А' от о связаны соотношением -^-=&, где k—фиксированное положительное число (рис. 8); если точка А принадлежит прямой о, то будем считать, что А' совпадает с А. Преобразование, определенное таким образом, естественно назвать сжатием к прямой о 2);

Рис. 7.

Рис. 8.

1) Если коэффициент k>\ и, следовательно, ОА'>ОАу то преобразование уместнее было бы назвать растяжением, а не сжатием

2) От греческих слов ofxög — одинаковый (или Sjioioç — подобный) и двтос — расположенный.

прямую о называют осью сжатия, а число k—его коэффициентом.

Можно считать, что коэффициент k сжатия может быть и отрицательным (причем в этом случае отрезки 04' и OA имеют противоположное направление, т. е. точки А и А' лежат по разные стороны прямой о). Сжатие к прямой о с коэффициентом сжатия & = — 1 представляет собой, очевидно, симметрию относительно прямой о (пример 6).

Пример 9. Гомотетия с центром О и коэффициентом k (пример 7) определяется как преобразование, переводящее точку А в такую точку А' прямой OA, что отношение -щ- равно k. Рассмотрим теперь преобразование, переводящее точку А в такую точку А' луча OA, что произведение OA-OA' имеет заданную величину: OA' -0А = k, где k—некоторое заданное положительное число (рис. 9). Это преобразование называется инверсией1) (с центром О и степенью k). Если к = а2, то точки окружности 5 с центром О и радиусом а переходят при инверсии сами в себя, внешние по отношению к S точки переходят во внутренние, а внутренние точки — во внешние; это обстоятельство оправдывает другое название рассматриваемого преобразования—симметрия относительно окружности 5. Симметрию относительно окружности S можно также описать геометрически: при этом преобразовании внешняя по отношению к S точка А переходит в точку А' пересечения прямой OA (где О—центр окружности S) с прямой PQ, соединяющей точки Р и Q прикосновения с 5 проведенных к ней из А касательных, а А' переходит в А; это следует из того, что в прямоугольном треугольнике ОРА (рис. 9) РА' есть высота, и потому ОА-ОА' = 0Р2 = аг = k.

Можно также считать, что степень k инверсии может быть и отрицательной, причем в этом последнем случае отрезки OA' и OA противоположно направлены и ОА'-ОА = \k\.

Заметим теперь, что, строго говоря, мы не дали точного определения инверсии, ибо отображение, определенное выше, не определено в точке О-—ей не соответствует при инверсии никакая точка плоскости. Один из приемов, применяющихся для устранения этой некорректности,— считать, что область действия инверсии не сов-

Рис. 9.

1) От латинского слова inversio — обращение.

падает со всей плоскостью; эта область действия Л представляет собой плоскость с исключенной («выколотой») точкой О, поскольку эта точка не имеет образа при инверсии. Ясно, что инверсия представляет собой взаимно однозначное отображение этой области Л (плоскости с выколотой точкой). Таким образом, мы здесь впервые встречаемся с преобразованием «плоскости», область действия которого отличается от всей плоскости.

Можно встать также на другую точку зрения. Поскольку точка О не имеет образа при инверсии, можно условно считать, что точка О переходит при инверсии в «несобственную» (т. е. не существующую на обычной плоскости) точку й. Наоборот, точка Q переходит при инверсии в точку О. При таком соглашении инверсия становится взаимно однозначным отображением («преобразованием») «расширенной» плоскости Л*, получающейся из обыкновенной плоскости присоединением к ней еще одной точки й. Так как при приближении точки Л к О ее образ Л' при инверсии неограниченно удаляется от О ^ибо ^'^^ç)» то образ Q точки О иногда называют бесконечно удаленной точкой «расширенной» плоскости А*. Плоскость Л*, полученную присоединением к обыкновенной плоскости одной «бесконечно удаленной» точки Q, часто называют расширенной плоскостью1). Так как мы в дальнейшем встретимся с иными способами «расширения» обычной плоскости, то нам будет более удобен термин круговая плоскость. Причины, обусловливающие такое название, будут раскрыты ниже2).

Итак, мы можем принять за область действия инверсии либо плоскость с одной выколотой точкой, либо «расширенную» плоскость, получающуюся добавлением одной «несобственной» точки. Впоследствии мы увидим, что считать областью действия инверсии «расширенную» плоскость в ряде отношений значительно удобнее.

Подчеркнем, что утверждение типа «инверсия переводит точку О в бесконечно удаленную точку й» не является содержательной теоремой— оно представляет собой лишь иную формулировку того, что точка О не имеет образа при инверсии. Однако введение понятия круговой плоскости уже выходит за рамки чисто терминологических соглашений: здесь мы делаем новый шаг по пути математической абстракции, рассматривая совершенно новое образование — плоскость, которая, кроме точек, фигурирующих в школьном курсе геометрии,

1) Это название принято, например, в теории функций комплексного переменного.

2) Заметим еще, что «расширенная» (т. е. круговая) плоскость Л*, являющаяся областью действия инверсии, может быть взаимно однозначно отображена (при помощи стереографической проекции, см стр 2? и след. этой книги) на поверхность сферы S, так что поверхность сферы можно рассматривать как модель (см. стр 21 и след. этой книги) рудовой плоскости. Точка Q переходит при стереографической проекции в «север-

содержит еще новую (равноправную с остальными!) «бесконечно удаленную» точку. При этом круговая плоскость является не менее законным математическим понятием, чем обычная, «евклидова» плоскость. Ведь и представление о (безграничной!) плоскости, на которой каждая прямая может быть неограниченно продолжена в обе стороны, является лишь математической абстракцией и не имеет реального смысла; точное описание плоскости доставляется лишь набором аксиом, характеризующих геометрию на плоскости1). Разное понимание слова «плоскость» приводит к разным наборам аксиом; так, на круговой плоскости будет несправедлива аксиома: «через две точки проходит единственная прямая», поскольку через «обыкновенную» точку А и «бесконечно удаленную» точку Q проходит бесконечно много прямых (следует считать, что все прямые круговой плоскости проходят через «бесконечно удаленную» точку Q, поскольку образы всех прямых при инверсии проходят через центр инверсии О, являю-

ный полюс» N сферы S. Если при этом радиус сферы S выбран так, что окружность инверсии переходит при стереографической проекции в экватор сферы S, то инверсии круговой плоскости Д* будет соответствовать симметрия сферы S относительно экваториальной плоскости. Иначе говоря, если В и В'—две точки сферы S, симметричные относительно плоскости экватора, а А, А'—проекции точек В и В' из точки W на плоскость А* (рис. 10), то А переходит в А' при инверсии относительно окружности, в которую проектируется экватор сферы (см. в связи с этим стр. 468—472 этой книги ЭЭМ)

Рис. 10

1) См. в этой книге ЭЭМ статью «Аксиомы и основные понятия геометрии».

щийся образом точки Q — см. ниже, стр. 75). Разные подходы к понятию плоскости, характеризуемые разными наборами аксиом, являются одинаково допустимыми; в одних задачах нам может понадобиться толковать слово «плоскость» в одном, а в других — в другом смысле. И, разумеется, совершенно беспредметным явился бы спор, скажем, о том, имеет ли плоскость одну или много «бесконечно удаленных» точек: это полностью зависит от принятой точки зрения, диктуемой теми задачами, которые перед нами стоят. В иных случаях (например, в связи с рассмотрением гомологии — см. ниже § 7, или гиперболической инверсии—см. пример 10) мы можем прийти к необходимости совсем иного пополнения плоскости «идеальными» или «бесконечно удаленными» элементами—и полученная на таком пути «плоскость» будет отличаться от обычной и от круговой плоскости, но не будет ни «хуже», ни «лучше» их.

Пример 10. Пусть преобразование Ф переводит каждую точку А в такую точку Л', что точки А и А' лежат по одну сторону от прямой о, прямая АА' перпендикулярна заданной прямой о и OA'-OA = k, где О — точка пересечения прямой АА' сои k—фиксированное положительное число (рис. 11). Это преобразование можно назвать гиперболической инверсией1) с осью о и степенью k. Если k = a2, то точки прямых / и /„ параллельных о и удаленных от о на расстояние а, переходят при нашем преобразовании в себя, внутренние точки ограниченной / и /, полосы переходят во внешние точки, а внешние точки полосы — во внутренние точки; с этим связано название симметрия относительно пары параллельных прямых, которое также дают иногда рассматриваемому преобразованию. Ясно, что преобразование точек прямой п _]_ / при симметрии относительно пары параллельных прямых / и /, совпадает с преобразованием точек этой прямой при симметрии относительно окружности S с центром в точке О пересечения п и о и радиусом а; это может быть использовано для построения образа А' точки А при гиперболической инверсии (рис. 11). Часто также считают, что степень k гиперболической инверсии может быть

Рис. 11.

1) Причины, обусловливающие такое название, будут объяснены ниже (см. стр. 75).

и отрицательной; в этом последнем случае OA'-OA = \ k | и направления отрезков OA' и OA противоположны.

За область действия гиперболической инверсии можно принять плоскость с выброшенной из нее прямой о, поскольку точки этой прямой не переходят при нашем преобразовании ни в какие точки плоскости. Можно также построить и другую область действия гиперболической инверсии, не выбрасывая из плоскости «лишние» точки, а наоборот, добавляя к плоскости новые «несобственные» точки, на чем мы здесь останавливаться не будем.

Заметим, что все рассмотренные точечные преобразования являются непрерывными, т. е. обладают следующим свойством: если переменная точка Апл оставаясь все время в области действия преобразования Ф, стремится к некоторой точке Л, также принадлежащей области действия преобразования (т. е. если расстояние АпА стремится к нулю при неограниченном возрастании номера п), то отвечающая точке Ап точка Ап = Ф(Ап) стремится к точке Л'=Ф(Л), отвечающей точке А. Легко привести и сколько угодно примеров не непрерывных преобразований (таким будет, например, преобразование, при котором все параллельные заданной прямой / прямые плоскости претерпевают параллельный перенос в направлении прямой /, но прямые, расстояние которых от / рационально, сдвигаются на величину û9=0, а прямые, расстояние которых от / иррационально,— на величину 2а). Однако, так как в геометрии используются почти исключительно непрерывные преобразования, то мы здесь ограничимся рассмотрением только таких преобразований. Впрочем, свойства непрерывности рассматриваемых преобразований мы нигде использовать не будем.

1.3. Некоторые типы геометрических преобразований. Нетрудно видеть, что преобразования, описанные в примерах 3, 4, 5, 6, обладают следующим замечательным свойством: любые две точки А и В они переводят в такие точки А' и В\ что расстояние А'В' равно расстоянию AB (рис.12—15). Преобразования, сохраняющие расстояния между точками, называются движениями; таким образом, вращение, параллельный перенос, симметрия относительно точки и симметрия относительно прямой являются движениями плоскости.

Преобразование, описанное в примере 7 (гомотетия) обладает тем свойством, что расстояние между образами А' и В' точек A и В про-

Рис. 12.

Рис 13.

порционально расстоянию между этими точками (где коэффициент пропорциональности k зависит лишь от преобразования, но не от выбора точек А и В); это вытекает из подобия треугольников OA'В' и ОАВ (рис. 16). Преобразования, изменяющие все расстояния между точками в одном и том же отношении k ^иначе говоря, сохраняющие отношения расстояний между точками*, если точки А, В, С и D переходят в точки Л', В\ С, А'В' АВ\ и D , то c7jy = çp) » называются преобразованиями подобия (с коэффициентом подобия Ä); движения можно также рассматривать как преобразования подобия с коэффициентом подобия 1. Таким образом, гомотетия является преобразованием подобия1).

Преобразование, описанное в примере 8 (сжатие к прямой), обладает следующим важным свойством — оно переводит каждую прямую линию I снова в некоторую прямую линию V. Это утверждение является очевидным, если / есть прямая, параллельная или перпендикулярная оси сжатия о (в частности, перпендикулярную к оси о прямую сжатие переводит в себя). Прямая же /, образующая с о острый угол а, переходит в прямую /', пересекающую ось сжатия о в той же точке Q, что и /, и образующую с прямой о такой угол а', что *-§^- = &. В самом деле, если перпендикуляр к прямой о в точке О пересекает прямую / в точке А и если А' — такая

Рис. 14.

Рис. 15.

Рис. 16.

1) Нетрудно понять, что гомотетия с (положительным или отрицательным!) коэффициентом гомотетии k представляет собой преобразование подобия с коэффициентом подобия | k |.

точка этого перпендикуляра, что tg{j/A'QO) = ktga, то од = (рис. 17), откуда и следует, что точка А переходит в А'. Преобразования плоскости, переводящие каждую прямую линию снова в прямую, называются аффинными преобразованиями1); таким образом, сжатие к прямой является аффинным преобразованием. Заметим еще, что сжатие к прямой обладает также следующими свойствами: оно переводит параллельные прямые в параллельные и сохраняет отношение любых двух отрезков, принадлежащих одной прямой I. Эти свойства сжатия к прямой нетрудно вывести из его определения. Мы, однако, не будем этого делать, так как впоследствии мы увидим, что этими же свойствами обладает каждое аффинное преобразование (ср. ниже, стр. 76—77).

Преобразование, указанное в примере 9 (инверсия), не является аффинным; как мы увидим ниже (см. стр. 75), прямую линию оно переводит в прямую линию или в окружность; окружность также переводится инверсией в окружность или прямую линию. Преобразование, переводящее каждую окружность или прямую снова в окружность или в прямую, называется круговым преобразованием; таким образом, инверсия есть круговое преобразование2).

Легко понять, что всякое движение и всякое преобразование подобия переводит каждую прямую линию снова в прямую и каждую окружность снова в окружность — таким образом, движения и преобразования подобия являются как аффинными, так и круговыми

Рис. 17.

1) От латинского слова affinitas — родство по мужу или жене, свойство; это название подчеркивает, что аффинные преобразования переводят каждую фигуру M в фигуру М', достаточно близкую («родственную») первоначальной (хоть и не столь близкую, как фигура, получающаяся из M движением или преобразованием подобия).

2) Более подробно теория круговых преобразований излагается в статье «Окружности», напечатанной в этой книге ЭЭМ, где, в частности, имеется отличное от приведенного на стр. 74—75 доказательство того, что инверсия является круговым преобразованием.

преобразованиями. В самом деле, окружность есть геометрическое место точек, равноудаленных от одной точки О; прямая же полностью характеризуется тем, что для каждых трех ее точек А, В и С, где £ лежит между А и S, имеет место равенство AB-}- ВС = АС. Но так как движения вовсе не меняют расстояний, а преобразования подобия умножают все расстояния на одно и то же число, то движение или преобразование подобия переводит окружность в окружность, а прямую — в прямую. Можно доказать, что и обратно всякое преобразование плоскости, переводящее прямую линию снова в прямую линию и окружность — в окружность, является преобразованием подобия (в частном случае—движением); на доказательстве этого мы здесь не остановимся1).

§ 2. Применение преобразований к решению геометрических задач

2.1. Некоторые примеры. Уже перечисленные выше простые геометрические преобразования могут быть эффективно использованы для решения содержательных геометрических задач. Широко известны, например, применения геометрических преобразований к решению задач на построение. Так, решение задачи о построении отрезка АА', заключенного между заданными окружностью 5 и прямой L и имеющего данные длину а и направление /, непосредственно получается с помощью параллельного переноса Ф окружности 5 на отрезок а в направлении /. При таком переносе один конец А искомого отрезка переходит в другой, откуда ясно, что одним из концов искомого отрезка является точка пересечения окружности S'=<£>(S) и прямой L (рис. 18, а). [Задача может иметь до четырех решений (рис. 18,6), ибо перенос окружности S можно осуществлять в двух противоположных направлениях.] Далее, задача о построении отрезка АА', заключенного между данными прямыми / и 1Х и делящегося пополам в данной точке О, решается с помощью симметрии относительно точки О (рис. 19; задача имеет, вообще говоря, единственное решение). Задача о построении в данной окружности 5 такой хорды AB, которая проходит через данную точку А и делится пополам второй данной окружностью Sv решается с помощью гомотетии с центром А и коэффициентом у (рис. 20; задача может иметь два решения)2).

Но наиболее интересны применения геометрических преобразований к доказательству теорем.

1) См., например, т. II книги И. М. Яглома [2], указанной в списке литературы в конце статьи.

2) Другие примеры применения геометрических преобразований к решению задач на построение читатель может найти в статье «Общие принципы геометрических построений», стр. 189 —193 этой книги.

Так, из того, что средняя линия С1Л1 треугольника ABC гомотетична основанию АС с центром гомотетии В и коэффициентом у т. е. СХАХ получается из АС гомотетией с центром В и коэффициентом у*, рис. 21), следует, что

Отсюда, в свою очередь, вытекает, что гомотетия с коэффициентом— у, переводящая А в Av переводит /\АВС в Д-Л15,С1, образованный средними линиями треугольника ABC; но это означает, что прямые AAV ВВУ и CCj {медианы треугольника) пересекаются в одной точке M (центре рассматрива-

Рис 18.

Рис. 19. Рис. 20

емой гомотетии) и делятся в ней в отношении 2:1, считая от вершины. Далее, при той же гомотетии высоты треугольника ABC переходят в высоты треугольника АХВХСХ. Но высоты треугольника АВ.С— это перпендикуляры, восставленные к сторонам треугольника ABC в их серединах; поэтому они пересекаются в центре О описанной вокруг ABC окружности S. Отсюда следует, что высоты треугольника ABC пересекаются в одной точке И, причем точки И, О и точка пересечения медиан M (центр гомотетии треугольников ABC и АХВХСХ) лежат на одной прямой1), и НМ:МО=2. Можно также заметить, что окружность S переходит при рассматриваемой гомотетии 9 описанную вокруг треугольника AïBlCl окружность о. (т. е. в окружность, проходящую через середины сторон треугольника ABC), радиус Rx которой, очевидно, равен половине радиуса R окружности S, а центр Ох лежит на прямой МО, причем ОМ:МОх = 2 (ибо M — центр гомотетии с коэффициентом — ~, переводящей S в Sx). Отсюда следует, что точка Ох является серединой отрезка НО, а значит, окружность Sx гомотетична окружности .S также с центром гомотетии H и коэффициентом гомотетии + ~2'у поэтому окружность Sx проходит через середины Ä, В' и С отрезков HAt HB и НС высот треугольника ABC2).

Рис. 21.

1) Прямая H МО называется прямой Эйлера треугольника ABC.

2) Окружность S, называется окружностью Эйлера треугольника ABC. Часто эту окружность называют также окружностью девяти точек, поскольку она проходит через 9 «замечательных» точек треугольника: через середины Л„ Blt С, сторон, через середины Л', В', С отрезков высот и через основания Р% Q, R высот. Последнее вытекает из того, что точки, скажем, Л, и А' окружности S, являются диаметрально противоположными (ибо касательные к Sx в точках Л, и А' получаются из касательной к S в точке А при помощи гомотетии с центром M и коэф-

2.2. Применение симметрии. В первую очередь, говоря о применениях геометрических преобразований к доказательству теорем, следует указать на использование соображений симметрии для вывода свойств «симметричных» фигур. Чаще всего прилагательное «симметричный» указывает на наличие у геометрической фигуры оси симметрии, т. е. такой прямой /, что симметрия относительно / переводит фигуру саму в себя (рис. 22). Симметричными фигурами являются: отрезок (у него две оси симметрии— перпендикуляр, восставленный к отрезку в его середине, и прямая, на которой этот отрезок расположен); угол (ось симметрии—биссектриса угла); равнобедренный треугольник (ось симметрии—биссектриса угла при вершине); равнобедренная трапеция (ось симметрии — прямая, делящая пополам основания трапеции); ромб (оси симметрии—диагонали ромба); прямоугольник (оси симметрии — средние линии); окружность (оси симметрии— диаметры окружности) и т. д. Иногда прилагательное «симметричный» указывает также на наличие у фигуры центра симметрии, т. е. точки О, симметрия относительно которой переводит фигуру в себя (рис. 23). Центрально-симметричными фигурами являются, например, параллелограмм (центр симметрии—точка пересечения диагоналей) или окружность (центр симметрии—центр окружности). Можно также заметить, что центральная симметрия с центром О совпадает с вращением вокруг точки О на угол 180°= ^ .

Это позволяет обобщить понятие центральной симметрии, считая, что некоторая фигура M обладает симметрией порядка k с центром О, если она переходит в себя при вращении вокруг точки О (центра симметрии k-ro порядка) на угол

Рис. 22.

Рис. 23.

фициентом — -^, соответственно при помощи гомотетии с центром H и коэффициентом значит, эти касательные параллельны между собой). Поэтому прямой угол АХРА' — вписанный в окружность Sx и точка р принадлежит Sx.

Рис. 24.

Рис. 25.

—£— (рис. 24); так, правильный треугольник обладает симметрией третьего порядка (относительно центра треугольника), а правильный /г-угольник — симметрией п-го порядка.

Ясно, что известные свойства перпендикуляра, восставленного к отрезку в его середине, или свойства биссектрисы угла непосредственно следуют из того, что рассматриваемая прямая является осью симметрии соответствующей фигуры. Точно так же все свойства равнобедренного треугольника вытекают из его симметричности; из симметричности окружности следует, что диаметр, перпендикулярный хорде, делит эту хорду пополам. Из наличия у окружности S центра симметрии О вытекает, что вписанный угол, опирающийся на диаметр, можно рассматривать как угол вписанного в S параллелограмма (рис. 25). С другой стороны, из наличия у окружности S осей симметрии следует, что перпендикуляры, опущенные из центра окружности на стороны параллелограмма, являются его осями симметрии, т. е. что этот параллелограмм представляет собой прямоугольник; таким образом, мы приходим к выводу, что вписанный угол, опирающийся на диаметр окружности — прямой. Из того, что линия центров q двух окружностей vSj и S2 является осью симметрии фигуры, образованной этими двумя окружностями, вытекает, что точка пересечения общих внешних касательных тх и т2 (или общих внутренних касательных пг и п%) окружностей vS1 и S2, принадлежит прямой q (рис. 26). Центр О правильного треугольника Т (или квадрата К) является центром симметрии 3-го (соответственно 4-го) порядка. Отсюда вытекает, например, что прямые, проведенные через вершины правильного треугольника Т и отсекающие 4“ противоположной стороны (рис. 27, а), сами образуют правильный треугольник с тем же центром. Аналогично этому прямые, проходящие через вершины квадрата К и делящие противоположные стороны пополам (рис. 27, б), образуют квадрат с тем же центром.

Все эти предложения доказываются почти одинаково. Так, из того, что симметрия относительно линии центров q окружностей Sx и £2, изображенных на рис. 26, переводит их в себя, следует, что также и совокупность общих касательных т1 и т2 окружностей переходит при этой симметрии в себя (точнее мх переходит в /#2, а т2— в т^).

Рис. 26.

Но отсюда вытекает, что прямая q является осью симметрии образованного прямыми т1 и т2 угла, т. е. совпадает с биссектрисой этого угла. Точно так же из того, что вращение вокруг центра О правильного треугольника Т на угол 120° переводит треугольник Т в себя, вытекает, что и изображенный на рис. 27, а «внутренний» треугольник т переходит при этом вращении в себя (прямая а переходит в Ъ, Ь — в с, и с—в а); поэтому треугольник т также имеет точку О своим центром вращения 3-го порядка, что возможно лишь в том случае, если этот треугольник правильный.

2.3. Использование геометрических преобразований для «симметризации» чертежа. Употребление преобразований, отличных от движений и от преобразований подобия, может иногда позволить использовать простые соображения симметрии в новых, более сложных условиях. Заметим, например, что сжатие к прямой (пример 8 на стр. 55) позволяет перевести каждый треугольник ABC в равно-

Рис. 27.

бедренный треугольник А'ВС,— этого легко добиться с помощью сжатия к стороне ВС, подобрав коэффициент сжатия так, чтобы было AfB=BC (рис. 28; за ВС можно, например, принять большую из двух сторон AB, ВС). Отсюда и из того, что параллельные прямые сжатие переводит в параллельные (стр. 62), вытекает, что каждую трапецию ABCD можно сжатием перевести в равнобедренную трапецию AB'CD (рис. 29; достаточно перевести треугольник ABF в равнобедренный треугольник AB'F). А так как равнобедренная трапеция AB'C'D обладает осью симметрии E'F, проходящей через середины оснований AB' и CD, через точку пересечения диагоналей Е' и через точку пересечения продолжений боковых сторон F, то можно заключить, что и в произвольной трапеции ABCD точка пересечения диагоналей, точка пересечения боковых сторон и середины оснований лежат на одной прямой (здесь используется то, что сжатие к прямой сохраняет отношение отрезков одной прямой, стр. 62). Иначе говоря, прямая, соединяющая точку пересечения диагоналей трапеции и точку пересечения продолжений боковых сторон, делит основания трапеции пополам.

Два сжатия позволяют перевести любой треугольник в равносторонний. В самом деле, равнобедренный треугольник А'ВС (рис. 28) можно сжатием к прямой А'С перевести в равносторонний треугольник А'В'С. Поэтому для доказательства того, что медианы произвольного треугольника пересекаются в одной точке, достаточно показать, что пересекаются в одной точке медианы равностороннего треугольника. Но последнее сразу следует из соображений симметрии (или из того, что медианы равностороннего треугольника одновременно

Рис. 28. Рис. 29.

являются его биссектрисами). Отсюда же следует, что если соединить вершины произвольного треугольника ABC с точками, делящими противоположные стороны в отношении 2:1 (рис. 30), то точка пересечения медиан образованного проведенными прямыми треугольника совпадает с точкой пересечения медиан исходного треугольника (ибо совпадают точки пересечения медиан — центры—изображенных на рис. 27, а правильных треугольников Т и т); доказательство этого, не использующее соображений симметрии и свойств сжатия к прямой, достаточно сложно.

Аналогичное применение допускает и инверсия (см. выше, пример 9, стр. 56). Так, например, можно показать, что каждые две непересекающиеся окружности можно некоторой инверсией перевести в две равные окружности. Рассмотрим теперь изображенные ни рис. 31, а четыре окружности Slt S2, Sa и S4, где S! касается S2, S2—S8, S8—S4 и S4—снова S,; точки касания окружностей обозначим через Л, В, С и D. Переведем инверсией две «противоположные» окружности Si и S, в равные окружности S, и S^; при этом рис. 31, а перейдет в симметричный рис. 31, б (осью симметрии которого является линия центров р окружностей 52 и SJ. Ясно, что прямая 0204 будет являться осью симметрии и образованного точками касания преобразованных окружностей четырехугольника A' B'C'D' у откуда следует, что этот четырехугольник является равнобочной трапецией. Таким образом, мы убеждаемся, что точки Л', ß', С и U принадлежат одной окружности1). А так как инверсия переводит окружность в окружность, то и точки Л, В, С и D принадлежат одной окружности\

Наличие на плоскости «особой» точки О (центра инверсии), переводимой инверсией в «бесконечно удаленную» (с точки зрения элементарной геометрии — несуществующую!) точку, открывает новые возможности применения этого преобразования в элементарной геометрии. Выше мы говорили о пользе, которую можно извлечь из того, что чертеж геометрической теоремы часто можно при помощи, скажем, сжатия к прямой перевести в «более симметричный» чертеж (ср. стр. 69). Но инверсия значительно больше изменяет чертежи, чем сжатие к прямой, что делает это преобразование еще более ценным для приложений.

В качестве примера рассмотрим снова теорему: «если окружность Sx касается S2, S2 касается 53, S3 касается S4 и S4 касается S, (рис. 31,а), то четыре точки касания принадлежат одной окружности (или прямой)». Выше мы доказывали эту теорему, преобразовав ее чертеж в более сим-

Рис. 30.

1) Или прямой (см. рис. 31, б). Вообще в вопросах, связанных с использованием инверсии, мы вынуждены считать окружности и прямые равноправными (ибо окружность инверсия может перевести в поямую); поэтому в таких случаях слово «окружность» обычно означает «окружность или прямая».

метричный чертеж такого же рода. Но еще сильнее можно изменить этот чертеж, подвергнув его инверсии с центром в точке Л касания окружностей Sj и 52. При этом точка Л перейдет в «бесконечно удаленную» точку Q; окружности Si и S2 перейдут в прямые S[ и S2, которые должны быть параллельны, так как они не имеют (отличных от Q) общих точек (ведь 5, и Sa имеют единственную общую точку Л1). В результате исходный

Рис. 31.

чертеж перейдет в совсем иной (см. рис. 32). Но так как точки В', С hD' на рис.32 принадлежат одной прямой (это следует, например, из того, что ^ 1 = ^ 4, как накрест лежащие, и /1 = ^2, Z 4 = Z 3; следовательно, / 2= / 3), то точки ß, С и D, образами которых они являются, лежат на одной окружности (или на одной прямой) с точкой А (центром инверсии), что и требовалось доказать.

Рис. 32.

§ 3. Аналитическая запись геометрических преобразований

3.1. Запись геометрических отображений в координатах. Большую пользу при изучении точечных преобразований и отображений может принести метод координат. Предположим, что плоскость отнесена к некоторой системе координат х, у; для простоты мы будем иметь в виду декартову систему координат, хотя принципиально ничего не изменилось бы при использовании, скажем, полярных координат. Пусть Ф—некоторое отображение, областью определения которого служит некоторая область А на плоскости (возможно, вся плоскость), а областью значений — некоторая область А' той же плоскости. Каждая точка А области А характеризуется парой чисел (х, у), и преобразование Ф сопоставляет с каждой парой чисел (х, у) (выбранной из некоторой области допустимых значений координат, характеризующих область А) некоторую новую пару чисел (х\ у') — координаты точки А' = Ф(А). Другими словами, координаты (х\ у') преобразованной точки А' являются функциями пары чисел х, у\

(1)

Таким образом, задание точечного отображения равносильно заданию пары числовых функций двух переменных; обратно, каждую пару функций двух переменных можно представлять себе как запись определенного отображения1). В частности, формулами вида (1) можно записывать преобразования плоскости.

Выпишем аналитические формулы для некоторых из рассмотренных выше преобразований. Прежде всего совершенно ясно, что в декар-

1) При этом непрерывным отображениям (см. выше, стр. 60) отвечают непрерывные функции.

товой системе координат параллельный перенос записывается следующим образом: , ч J X =х + а, \

/-,+* S (2)

здесь (#, у)— координаты точки А; (х\ у') — координаты преобразованной точки А' и (а, Ь) — координаты постоянного вектора АА' — ММ' (вектора переноса)1). Далее, симметрия относительно начала координат О(0, 0) записывается формулами:

а симметрия относительно оси х—формулами:

Обобщением формул (3) и (4) являются формулы, записывающие гомотетию с центром О и коэффициентом k:

х' = kx, )

и формулы, выражающие сжатие к оси х с коэффициентом сжатия ki

х' = х, \

при k = —1 формулы (5), (6), как и следовало ожидать, переходят соответственно в формулы (3) и (4).

Во всех рассмотренных выше случаях функции ф(х. у) и г|)(л:, у) (см. (1)) имели очень простой вид — они являлись линейными функциями. В других случаях эти функции оказываются более сложными; так, например, инверсия с центром в начале координат О и степенью k записывается формулами:

(7)

а гиперболическая инверсия со степенью k (см. стр. 59), осью которой является ось je,—формулами:

(8)

1) Ср. ниже, стр. 81.

В самом деле, например, формулы (7) показывают, что х':у' = х:у, т. е. что преобразованная точка А' и исходная точка А лежат на одной прямой с началом координат О и что х'1 -\-у'2 = 2^ 2, т. е.

3.2. Аналитические методы изучения преобразований. Аналитическое задание геометрических преобразований позволяет изучать их свойства методами аналитической геометрии. Докажем, например, что инверсия переводит каждую окружность или прямую снова в окружность или прямую. Нетрудно видеть, что уравнение окружности с центром в начале координат О(0, 0) и радиусом г имеет вид

х2+у2 = г2;

уравнение окружности с центром в точке Q(ay b) и радиусом г записывается так:

(х-a)2+(y-b)2 = r2

или

А(х2+у2) + 2Бх + 2Су + D = 0, (9)

где

(9а)

При этом окружность проходит или не проходит через начало координат в зависимости от того, равен ли коэффициент D уравнения (9) нулю или отличен от нуля (в первом случае точка с координатами (О, 0) удовлетворяет уравнению (9), во втором случае — не удовлетворяет). Уравнение (9) охватывает также и прямые линии; прямую мы получим, положив в этом уравнении Д=0. Если же в уравнении (9) и Д = 0, и D = 0, то мы будем иметь прямую, проходящую через начало координат.

Выясним теперь, во что переходит при инверсии геометрическое место точек, координаты которых удовлетворяют уравнению (9) (т. е. окружность или прямая). Заметим прежде всего, что формулы (7) можно записать также в следующем виде:

(7а)

Если подставить в уравнение (9) вместо х и у их выражения из формул (7а), го получим

(9')

Отсюда непосредственно следует:

A. Прямая, проходящая через центр инверсии (случай Л = 0, D=0), переходит при инверсии сама в себя;

Б. Прямая, не проходящая через центр инверсии (А = 0, ОфО), переходит в окружность, проходящую через центр инверсии;

B. Окружность, проходящая через центр инверсии (А Ф О, D аа 0), переходит в прямую, не проходящую через центр инверсии;

Г. Окружность, не проходящая через центр инверсии (АфО, ОфО), переходит в окружность, также не проходящую через центр инверсии.

Аналогично этому доказывается, что гиперболическая инверсия (8) переводит:

А. Прямую у —а, параллельную оси у = 0 гиперболической инверсии,— в прямую ^г — а ^или У ==1Гу' также параллельную оси инверсии;

Б. Прямую х—Ъ, перпендикулярную оси инверсии,— в ту же прямую;

В. Прямую I с уравнением

х = ау + Ь (афЪ), (10)

пересекающую ось у — 0 инверсии под углом, отличным от 90°, — в гиперболу

или

(x'-b)y'=ak, (10')

асимптотами которой являются ось о инверсии и перпендикуляр q, восставленный к о в точке пересечения прямой I с о (рис. 33; в декартовой системе координат с осями о и qуравнение (10') записывается в виде XY = ak; график этой обратно пропорциональной зависимости является, как известно, гиперболой).

Обратно, в прямые линии при гиперболической инверсии переходят прямые, параллельные и перпендикулярные оси о инверсии, и равнобочные гиперболы (10'), одна из асимптот которых совпадает с осью о инверсии; именно этим объясняется прилагательное «гиперболическая» в названии самого преобразования.

3,3. Линейные преобразования. Иногда аналитическое задание преобразования кладут в основу его определения. В этих случаях уже неизбежно приходится выводить геометрические свойства преобразования из аналитических формул.

Рис. 33.

Рассмотрим следующий пример. Линейными отображениями плоскости называют отображения, записываемые в какой-либо декартовой системе координат формулами (1), где функции ф(д:, у) и ty(x, у) линейные:

(11)

Частными случаями линейных отображений являются, как мы видели, параллельный перенос (2), симметрия относительно точки (3) или относительно прямой (4), сжатие к точке (гомотетия) (5) или сжатие к прямой (6).

Если в формулах (11) ах = Ьх = а2 = Ь2 = 0, то, очевидно, отображение переводит все точки плоскости в одну точку (сх, с2). Если коэффициенты при х и при у в двух уравнениях (11) пропорциональны, т. е. a2 = Xal, b2 = Xbl1 то при любых х и у имеем

/ = %х' + с, где c = ct—kcv (12)

и, значит, все точки плоскости переходят в точки прямой (12). Наконец, если коэффициенты а2, Ь2 не пропорциональны av bv т. е. ахЬ2 — а2ЬхФ0, то уравнения (11) можно переписать в виде

x = a1x' + ß1/+Y1, .V = <Vc' + ß2/+Y2, (11')

где

(11*)

(для этого достаточно решить уравнения (11) относительно неизвестных х',у'). Таким образом, отображение (11) переводит в каждую точку (л;', у') плоскости единственную точку (х, у) (определенную по формулам (1Г)), т. е. является линейным преобразованием.

Покажем, что всякое линейное преобразование переводит каждую прямую плоскости снова в прямую линию, т. е. является аффинным преобразованием1). Действительно, для того чтобы найти линию, в которую преобразование (11) переводит прямую

Ах + Ву + С = 0, (13)

1) Можно доказать, что и, обратно, каждое аффинное преобразование плоскости является линейным преобразованием, т. е. записывается в координатах линейными уравнениями, однако доказательство этого факта довольно сложно (см., например, Б. Н. Делоне и Д. А. Райков, Аналитическая геометрия, ч. I, М.—Л., Гостехиздат, 10.48, стр. 152, или И. М. яглом и В. Г. Ашкинузе, Идеи и методы аффинной и проективной геометрии, ч. I, М., Учпедгиз, 1962, стр. 78).

достаточно подставить в уравнение (13) значения х и у из (1Г). При этом мы получим

( Аа, + Ва2) X' + (Арг + ßß2) у' + (Ауг + Ву2 +С) = 0 (13')

(где оба коэффициента Ааг + Ваг и Aßy 4 £ß2 не равны одновременно нулю, ибо отображение (1Г) тоже является преобразованием

и aiß2 — a2ßi^=^)i

т. е. снова уравнение прямой!

Столь же просто убедиться, скажем, что линейное преобразование сохраняет отношение отрезков одной прямой. Для этого заметим, что если A(xv у,), В(х2, уЛ), С(х„ уг)у D(xv j>4)— четыре точки одной прямой y = kx + b, то CD = t=73 (рис- 34). Но точки А(Х» D(X*> Л) переходят в точки А' (х[, у[), D'(x'v y'J, где

и

откуда следует, что

Рис. 34.

Предоставляем читателю проверить самостоятельно, что каждое линейное преобразование плоскости переводит параллельные прямые снова в параллельные прямые.

3.4. Комплексные координаты точек круговой плоскости. Поскольку круговая плоскость представляет собой совершенно новое геометрическое понятие, отличное от обычной плоскости, то для него становятся неприемлемыми принятые способы введения координат, сопоставляющие с каждой точкой плоскости определенную систему чисел — координаты этой точки. Тем самым становится невозможным аналитический подход к инверсии (и другим круговым преобразованиям), рассматриваемой как преобразование круговой плоскости. Между тем большой интерес, который представляет для геометрии понятие круговой плоскости, делает весьма важной задачу построения

такой системы координат, которая охватывала бы и «бесконечно удаленную» точку круговой плоскости. Не вдаваясь в детали, мы наметим здесь один путь решения этой задачи.

Заметим прежде всего, что в качестве координат точки обыкновенной плоскости часто оказывается удобным принимать не пару чисел X, у, а одно комплексное число z = х 4- iy («комплексная координата» точки). В таком случае геометрические преобразования плоскости будут описываться не парой функций двух переменных (см. формулы (1), стр. 72), а одной функцией комплексного переменного1):

z' = F(z). (14)

Расширим теперь область комплексных чисел, присоединив к «обыкновенным» числам еще одно «идеальное» (несуществующее) число со («бесконечность»), определяемое как результат деления (любого, отличного от нуля) комплексного числа на нуль (невозможного в области обыкновенных чисел!). Такая «расширенная» комплексная плоскость по существу совпадает с круговой плоскостью (причем «идеальное» число со отвечает «несобственной» точке й).

Инверсия со степенью k и с центром в точке О, имеющей комплексную координату 0, аналитически записывается, как мы сейчас увидим, следующей формулой:

(15)

где z = x — iy есть комплексное число, сопряженное с числом z = x + iy. Из (15) сразу следует, что центр О инверсии переходит в «идеальную» точку со, и наоборот; что же касается отличной от центра («обыкновенной») точки z = х -f- iy, то она переходит в точку

(15а)

что и доказывает совпадение преобразования (15) с инверсией (ср. формулу (15а) с формулами (7), стр. 73). Аналогично этому взаимно однозначными преобразованиями круговой плоскости являются все преобразования, записываемые дробно-линейными функциями комплексного переменного

(16)

(а, о, с, d — комплексные числа). Преобразование (16) переводит в «бесконечно удаленную» точку Q круговой плоскости точку с ком-

1) Ср. ЭЭМ, кн. III, статью «Элементарные функции комплексного переменного».

плексной координатой z, определенной равенством cz + d = 0, соответственно cz + d = 0 (т. е. с координатой и переводит Q в точку = — (последнее вытекает из того, что (16) можно также переписать в виде z'

«Дробно-линейные преобразования» (16) плоскости комплексного переменного оказываются тесно связанными с инверсиями1).

3.5. Бирациональные преобразования. С аналитической точки зрения линейные преобразования (11) являются самыми простыми в том смысле, что здесь функции ф (х, у) и г|э (х, у), фигурирующие в аналитической записи П) преобразования, имеют самое простое строение. Очень удобно также и то, что в этом случае и координаты X, у исходной точки выражаются через координаты х\ у' преобразованной точки линейным образом (см. формулы (1Г)). Обобщением таких преобразований являются преобразования, задаваемые произвольными рациональными (но не обязательно линейными!) функциями ф и г|) координат х и и (см. (1)), обладающими тем свойством, что и, обратно, X и у выражаются через х' и у' также рационально Преобразования подобного рода называются бирациональными; в современной геометрии они играют весьма важную роль2). Невырожденные линейные преобразования доставляют простейший пример бирациональных преобразований. Другими примерами могут служить инверсия (7), гиперболическая инверсия (8) или следующее преобразование:

(17)

Рис. 35.

Заметим, что если рассматривать формулы (17) как уравнения с неизвестными X, у и разрешить их, то мы получим в точности такие же формулы, выражающие х и у через х' и у':

(17а)

Преобразование (17) имеет любопытный геометрический смысл. Если соединить произвольную точку А (х, у) плоскости с вершинами 0(0, 0),

1) Множество преобразований (16) круговой плоскости совпадает с множеством всех круговых преобразований (ср со статьей «Окружности», стр. 478).

2) Понятие бирационального преобразования является основным для так называемой «алгебраической геометрии», выросшей уже в настоящем столетии в большую и содержательную науку.

£,(1, 0), Е2 (0, 1) «координатного треугольника» 0ЕгЕ2 и затем симметрично отразить каждую из прямых АО, АЕХ, АЕ2, от биссектрисы соответствующего угла треугольника, то полученные три прямые пересекутся в одной точке А'', координаты х' и у' которой как раз и даются формулами (17) (рис. 35). Точно так же, если заменить в этом построении треугольник OExEz произвольным треугольником PQR, то мы получим некоторое бирациональное преобразование плоскости.

Приведенные примеры указывают, что бирациональные преобразования, столь важные для высшей геометрии, играют также известную роль и в геометрии элементарной.

§ 4. Произведение отображений и преобразований

4.1. Определение произведения отображений; примеры. Мы уже говорили о том, что точечные отображения являются функциями, отличающимися от привычных нам функций лишь тем, что здесь и аргумент и само значение функции являются не числом, а точками. В этом параграфе мы выясним, какой смысл имеет в применении к отображениям и преобразованиям понятие сложной функции (функции от функции).

Если y=f(x), a z = g(y), то z также является функцией от аргумента х:

z = g[f(x)]

(например, если f(x) = ax, g(y) = Vу, то z=V~äx; если /(х) = sinх, g (у) ~ log у, то z = log sin X и т. д.). Аналогично определяется и «сложное отображение» (отображение от отображения). Именно пусть Ф—отображение с областью определения Л и областью значений Ах\ пусть, кроме того, задано другое отображение ЧГ, областью определения которого служит то же точечное множество Av которое является областью значений для первого отображения. Область значений отображения обозначим через А2. Так как для любой точки А области Л ее образ А'= Ф(А) принадлежит области Л1 — области определения преобразования — то определена также точка

Д“ = ТИ') = Т(Ф(4

принадлежащая области Л2. Таким образом, с каждой точкой А области Л сопоставляется точка А“ области Л2, так что мы получаем некоторое отображение с областью определения Л и областью значений Л2. Это отображение, переводящее точку А в Л“, называют произведением отображений Фи 4я1) и обозначают просто через (без скобок). Таким образом,

?Ф(Л) = ?(Ф(Л))

— эта формула является не чем иным, как определением произведения отображений.

1) Иногда также суммой отображений Ф и Ч?.

Если Ф и W--преобразования с одной и той же областью действия Л, то их произведение Ч'Ф также, очевидно, является преобразованием с той же областью действия Л.

Приведем несколько примеров.

1°. Пусть Ф—параллельный перенос на вектор ММ' = а, Y— параллельный перенос на вектор M Af=b, (см. пример 4 на стр. 54). Очевидно, что если АА'#ММ' и А'А“#М'М\ то АА“#ММ“; другими словами, если АА' = ММ', А'А“ = М'М“, то АА“ = ШГ (рис. 36). Таким образом, произведение WO двух параллельных переносов (на вектор ММ' = а и на вектор М'Мп — Ь) также представляет собой параллельный перенос (на вектор ММ' = а + Ь)1).

2°. Если Ф есть параллельный перенос на вектор ММ',аЧ?— симметрия относительно точки О, то Ч'Ф представляет собой симметрию относительно такой точки Ov что 001 = у M'M (рис. 37, а). Это следует из того, что если Ф(А) = А' и W(A') = ==А“, то OOl есть средняя линия треугольника АА'А“, и поэтому отрезок АА“ делится в точке 01 пополам (если точки Л, Л' и О лежат на одной прямой, то треугольник АА'А“ вырождается в отрезок; проследить, как при этом видоизменяются рассуждения, мы предоставляем читателю).

Аналогично, если Ф—симметрия относительно точки О, а W — параллельный перенос на вектор ММ', то *¥Ф есть симметрия относительно такой точки Ох,что ООх =уЛШ' (рис. 37, б).

Рис. 36.

1) Ср. в этой книге статью «Векторы и их применения в геометрии», стр. 295.

Рис. 37.

3°. Пусть Ф — симметрия относительно точки О, а W— симметрия относительно (другой) точки Ох (рис. 38). Ясно, что если А'^Ф(А), A“ =W (А'), то 00Л есть средняя линия треугольника АА'А“ и, следовательно, АА“ = 2 00х\ поэтому здесь произведение ТФ преобразований представляет собой параллельный перенос (на вектор 2 OOJ.

Рис. 38.

4°. Выясним теперь, что представляет собой произведение двух симметрий Ф и W относительно прямых lu lv Здесь следует различать два случая:

а) Если прямые / и/, параллельны и А' = Ф(Л), А“ = W (А')у то А4'_1_/, i4/i4/r_LZ1. При этом отрезок АА' делится пополам точкой Р пересечения его с /; отрезок А'А“ делится пополам точкой Q его пересечения с lv Отсюда легко усмотреть, что АА“ = 2PQ (рис. 39, а) и, следовательно, произведение WO есть параллельный перенос в направлении, перпендикулярном прямым / и /17 на расстояние, в два раза большее расстояния между / и /, (вектор переноса направлен от / к /,).

б) Если прямые / и 1Х пересекаются в точке О и А' = Ф(А), А“ = W (Л'), то, очевидно, OA'— OA и ОАп — ОА'\ кроме того, лучи OA' и OA образуют равные углы с прямой /, а лучи OA“ и OA' — с прямой 1Х (рис. 39, б). Отсюда следует, что OA“ = OA и что /_АОА“ равен удвоенному углу между прямыми / и lv т. е. что произведение WO представляет собой вращение вокруг точки О пересечения прямых / и 1Х на угол, равный удвоенному углу между / и /, (направление вращения — от / к 1Х).

Рис. 39.

Заметим, что в примерах 3° и 4° мы считали, что центры О и Ох или оси / и 1Х симметрий Ф и W различны. Можно, однако, искать и произведение двух симметрий Ф относительно одной и той же точки О или прямой / (это произведение можно обозначить через ФФ или через Ф2). Так как симметрия Ф переводит образ А' каждой точки А обратно в точку Л, то преобразование Ф2 переводит каждую точку А саму в себя, т. е. не меняет положения ни одной точки плоскости. Такое «преобразование» I (здесь хотелось бы говорить об отсутствии всякого преобразования) называется тождественным преобразованием плоскости; оно аналогично функции f{x) = x числового переменного х, сопоставляющей с каждым значением аргумента х то же самое число.

Таким образом, квадрат симметрии относительно точки или относительно прямой (т. е. произведение двух одинаковых симметрий) представляет собой тождественное преобразование (ср. ниже, стр. 97).

4.2. Некоторые общие свойства произведения преобразований.

Отметим, что, как следует из наших примеров, произведение двух преобразований (в отличие от произведения чисел), вообще говоря, существенно зависит от порядка, в котором взяты эти преобразования: так, если Ф есть параллельный перенос на вектор ММ' » а, W—симметрия относительно точки О, то *¥Ф есть симметрия относительно такой точки Ov что OOl = у М'М, а ФЧ*“— симметрия относительно такой точки 02, что 002 = у ММ' (ср. пример 3°, в частности рис. 37, а, б). Впрочем, это обстоятельство никак не может нас удивить — ведь произведение преобразований родственно понятию сложной функции, в которой порядок отдельных функций оказывается весьма существенным [совсем не одно и то же, например, sin2 л: и sin (л;2) или а“* и —ах].

Итак, мы видим, что в отличие от умножения чисел для умножения геометрических преобразований не выполняется коммутативный (переместительный) закон: преобразование ^РФ, вообще говоря, отлично от преобразования Ф^Р. Можно было бы думать, что также и ассоциативный (сочетательный) закон обыкновенной арифметики чисел будет нарушаться в «арифметике преобразований», т. е. что произведения Х(^РФ) и (Х^)Ф преобразований будут различны. Однако легко видеть, что это на самом деле не так: умножение преобразований всегда ассоциативно. В самом деле, пусть, скажем, 0(A) = Av у¥(А1) = Аг и Х(Ла) = Лв; в таком случае, очевидно,

с другой стороны, Ф (А) = Л, и [(ХУ) Ф] (А) = (XV) И,) = X HJ) = X (At) - Л,.

Таким образом,

[Х(ТФ)] И) = [(ХТ)Ф]И)

для любой точки Л. Иначе говоря, каковы бы ни были три преобразования Ф, f и X, всегда выполнено соотношение

Х(УФ) = (ХЧ)Ф.

Это последнее преобразование обозначают просто через ХЧ?Ф (без скобок).

4.3. Произведения движений; классификация движений. Рассмотренные простые примеры произведений преобразований допускают интересные и важные приложения. Так, пример 4° может быть использован для нахождения произведения параллельного переноса Ф (на вектор ММ' — а) и вращения W (вокруг точки О на угол а) или двух вращений ? и Yt (у¥1 — вращение вокруг точки 01 на угол ctj). В самом деле, параллельный перенос Ф можно себе представить как произведение симметрий 2 и 21 относительно таких прямых / и lv перпендикулярных ММ', что расстояние между ними равно у ММ'; выберем эти прямые так, чтобы /1 проходила через точку О (рис. 40, а). Аналогично ¥ представим как произведение симметрий 21 и 22 относительно пересекающихся в О прямых 1Х и /2, угол между которыми равен у а. В таком случае произведение *РФ сведется к произведению (к последовательному осуществлению) четырех симметрий 2, 2U 21 и 22 (это можно записать так: ЧГФ = 2221212). Воспользовавшись ассоциативностью умножения преобразований, мы можем записать ^¥Ф не в виде (2121)(212), а в виде 21(2121)2, отличающемся порядком расстановки скобок. Но произведение симметрий 2, и 2, представляет собой тождественное преобразование I, не меняющее положения ни одной точки плоскости; поэтому получаем ЧГФ=222, т. е. **¥Ф есть вращение вокруг точки Oj пересечения прямых / и /2 (на угол а).

Аналогично, для того чтобы найти произведение Ф^Р, представим в виде произведения двух симметрий 2' и 2, относительно двух прямых V и lv проходящих через О и образующих угол причем попрежнему lx J_ ММ'; далее, Ф представим как произведение двух симметрий 21 и 22 относительно прямых 1Х и /2, расстояние между

которыми равно у ММ' (рис. 40, б). В таком случае мы будем иметь

и, следовательно, будет представлять собой вращение вокруг точки 02 пересечения / и /, (на угол а).

Рис. 40.

Наконец, для того чтобы найти произведение ХР1УР1 двух вращений Чг1 и Wt с центрами 01 и 02 и углами поворота и аж, представим ХР1 в виде произведения симметрии относительно двух прямых1 m и Oj02, пересекающихся в точке Ох и образующих угол Ya\i а —как произведение симметрий относительно прямых Oßt и т2У пересекающихся в точке 02 и образующих угол у а2. При этом ^2^i представится как произведение симметрий относительно тг и тг, откуда следует, что преобразование }¥2}¥1 совпадает с вращением вокруг точки Q пересечения т1 и тг (на угол а1-\-а2;

см. рис. 41, а). Исключение здесь представляет случай, когда а, +а2 = &.360°, т. е. ^+^ = £-180°, где k— целое число (рис. 41, б); в этом случае прямые тх и тг будут параллельны и, следовательно, преобразование VeV, является параллельным переносом.

До сих пор мы говорили исключительно о произведениях движений. Заметим, что из сказанного выше нетрудно вывести полную классификацию всех движений плоскости. Ясно, что каждое движение плоскости полностью характеризуется тем, в какие точки Л', В', С перешли какие-то три точки Л, В, С плоскости, не принадлежащие одной прямой: в самом деле, при этом произвольная точка M плоскости перейдет в такую точку М', что расстояния М'А\М'& и М'С соответственно равны расстояниям MA, MB и MC, а такая точка есть только одна1). Но очевидно, что точки Л, В, С можно совместить с точками Л', В\ С' при помощи самое большее трех

Рис. 41.

1) Условия ЛГЛ' = МЛ, М'В' = МВ определяют на плоскости две точки М' и М“, находящиеся на разных расстояниях от точки С (ибо С не лежит на прямой А'В'). Поэтому третье условие М'С' = МС однозначно определяет точку М' (рис. 42).

Рис. 42.

симметрий относительно некоторых прямых. В самом деле, если точка А отлична от А', то мы совмещаем эти две точки симметрией 2 относительно перпендикуляра lv восставленного к отрезку АА' в его середине; треугольник ABC перейдет при симметрии И1 в треугольник A,BiCl (рис. 43). Далее, если точка Bl = I>l(B) не совпадает с В', то мы совмещаем ее с В' симметрией 22 относительно перпендикуляра восставленного к В.& в его середине (заметим, что прямая /2 проходит через точку Л', ибо А'В' =АВ=А'В1, и, следовательно, 22(i4/) = i4/). Если полученный из А 'В1С1 с помощью симметрии треугольник А'В'С2 не совпадает с треугольником А'В'С\ то он симметричен ему относительно прямой А'В' и потому может быть совмещен с треугольником А'В'С' при помощи еще одной симметрии 25 относительно прямой А'В' е=/3 (рис.43). Итак, любые два равных треугольника могут быть совмещены самое большее тремя симметриями относительно прямых, откуда вытекает (см. пример 4°, стр. 83), что каждое движение плоскости представляет собой либо симметрию относительно прямой, либо параллельный перенос, либо вращение вокруг точки (которое, в частности, может оказаться симметрией относительно точки), либо, наконец, параллельный перенос или вращение, сопровождаемые еще одной симметрией относительно прямой1).

4.4. Применения. Полученные результаты могут быть использованы для решения многочисленных задач на построение и на доказательство. Рассмотрим, например, задачу о построении многоугольника АХА2. . . Ап по заданным вершинам Qlt Q2, . . . , Qn рае не бедренных треугольников с известными углами alt а2, ..., а„ при вершинах, построенных на его сторонах (рис. 44) Эта задача охватывает широко известные задачи о построении треугольника по центрам построенных на его сторонах квадратов

Рис. 43.

1) Произведение трех симметрий относительно прямой всегда может быть представлено в виде так называемой скользящей симметрии, т. е. произведения симметрии относительно некоторой прямой и параллельного переноса в направлении этой же прямой (см. книги И. М. Яглома [2] и Д И. Перепелкина, [3] указанные в конце статьи). Итак, каждое движение плоскости является либо параллельным переносом, либо вращением, либо скользящей симметрией (частным сличаем скользящей симметрии является обычная симметрия относительно прямой).

(,г = 3, а1 = а2 = а3 = 90°), или о построении треугольника по вершинам построенных на его сторонах правильных треугольников (я = 3, а1 = а2=а3 = 60°), или о построении многоугольника по известным серединам сторон (п произвольно, сц = а2 = ... =ап= 180°) и т. д.

Для решения этой задачи заметим, что последовательное применение вращений В2, Вп с центрами Qu Q2, Qn соответственно на углы Oj, а2, ..., ап переводит: сначала точку А1 в Л2, затем в Л3, ... л, наконец, Ап обратно в Ах (рис. 44). Таким образом, точка Л, произведением ВПВП_1.. .B2Bj рассматриваемых вращений оставляется на месте. Но из доказанных выше теорем следует, что произведение В = ВП...В2В1 вращений представляет собой вращение на угол 04+0,+ ... +<х„; центр этого «результирующего» вращения В легко яайти, если последовательно заменить произведение вращений В, и В2 одним вращением (или параллельным переносом) В(1); затем произведение преобразованийВ11) и В3—одним преобразованием В(,) и т. д. Но ясно, что единственная точка, которую оставляет на месте вращение (на угол, отличный от k-360°!), есть центр этого вращения; следовательно, искомая вершина Ах многоугольника совпадает с центром Q результирующего вращения В и потому может быть построена. Далее, ясно, что, зная точку Л, (а также точки Q„ Q2, ..., Qn и углы Oi, а2, ..., о„), мы легко построим и весь п-угольник.

Это рассуждение оказывается непригодным в одном исключительном случае: если сумма о, + а2 + ... + ап углов поворота .кратна 360°. В этом случае мы вообще не можем задать произвольным образом вершины Q,, Q2, ..., Qn построенных на сторонах многоугольника треугольников— ведь произведение вращений В,, В2, ...,В„на углы а„ а2, .. ,а„ (где а, + а2+ ... + ап = &-360°) является параллельным переносом, который, вообще говоря (если вектор переноса ^0), не оставляет на месте ни одной точки плоскости! Таким образом, как правило, соответствующая задача на построение при а, + а2+ • • • +а„ = &*360° не будет иметь решений. Лишь при некоторых специальных расположениях точек Ql9 Q2, Qn результирующее преобразование В = ВП...B2Bj явится «параллельным переносом на нулевое расстояние», т. е. будет тождественным преобразованием и задача окажется разрешимой. Однако при этом она будет иметь даже «слишком много решений» (т. е. будет неопределенна)—любую точку плоскости можно будет принять за вершину Л, искомого п-угольника, ибо тождественное преобразование оставляет на месте все точки плоскости! Поэтому и здесь задача на построение оказывается неинтересной; содержательной же является «задача на доказательство», требующая установить возможный характер конфигурации (расположения на плоскости) точек Q,, Q2, Qn, отвечающих реально существующему п-угольнику Л,Л2...ЛП.

Сказанное хорошо иллюстрируется уже упоминавшейся задачей о построении п-угольника АхА2...Ап по серединам Q„ Q2, Qn его сторон. В условии этой задачи на построение всегда добавляют, что рассматриваемый многоугольник имеет нечетное число п = 2&+1 сторон. В этом

Рис. 44.

случае с^+СЦ-г4 ... +ап = (2& + 1)-180° и результирующее преобразование является вращением на угол (2£+1)-180°, т. е. вращением на 18Сг\ или, иначе, симметрией относительно некоторой точки; центр Q этой симметрии (т. е. вершину Ау многоугольника!) легко найти, если воспользоваться содержанием примеров 1°—3° (стр. 81—83). Если же n=2k четно, то a1 + a2+...-fan = 2£.180o==£.360° и преобразование В = ВПВ„_1.. .В, будет параллельным переносом (либо тождественным преобразованием). Поэтому середины Q„ Q2, Qn сторон 2/?-угольника АгА2...Ап не могут быть выбраны произвольно; так, например, хорошо известно, что при п = 4 эти точки (середины сторон произвольного четырехугольника) всегда являются вершинами параллелограмма1) (рис. 45). Совершенно ясно, с чем это связано: произведение симметрий St и 22 относительно точек Qx и Q2 представляет собой параллельный перенос Пж на вектор 20^ (см. пример 3е на стр. 81—83), а произведение симметрий 23 и 24 относительно точек Q3 и Q4 представляет собой параллельный перенос П2 на вектор 2Q^QA\ поэтому лишь в случае, если Q1Q2 = Q4Q8 (т. е. если четырехугольник Q^QaQ* — параллелограмм!), произведение S^S^ = П2П, четырех симметрий будет тождественным преобразованием (т. е. задача построения четырехугольника по серединам его сторон будет разрешимой.

Вот еще две задачи подобного рода: что можно сказать о центрах правильных треугольников, построенных на сторонах произвольного треугольника, или о центрах квадратов, построенных на сторонах произвольного четырехугольника (для определенности мы считаем, что правильные треугольники и квадраты построены вне исходного многоугольника)? В первом случае искомые три точки Rl9 R2 и R3 обладают тем свойством, что произведение вращений Bj, В2, В3 вокруг этих точек на угол 120° представляет собой тождественное преобразование (ибо 3-120° = 460°). Но произведение В2В! первых двух вращений представляет собой вращение В на угол 240° вокруг точки R, в которой пересекаются проведенные через R и R2 прямые, образующие с прямой RXR2 углы —^— = 60° (рис. 46; см. выше стр. 83). Ясно, что произведение вращений В и В3 вокруг точек R и R3 на углы 240° и 120° в том и только в том случае явится тождественным преобразованием, если точка R3 совпадает с R. Таким образом, мы заклю-

Рис. 45.

Рис. 46.

1) Ср. стр. 315 этой книги ЭЭМ.

чаем, что прямые RXR3 и R2R3 образуют с RXR2 углы в 60° или что (независимо от формы исходного треугольника Л^Лз!) треугольник RXR2R3 правильный.

Во втором случае (рис. 47) центры 7\, Т2, Ть, 7\ квадратов должны быть таковы, что произведение BJ^B^ вращений вокруг этих точек на угол 90° представляет собой тождественное преобразование. Но произведение В2ВХ вращений вокруг Тх и Т2 есть не что иное, как симметрия (вращение на угол 180°) 2Х относительно точки U пересечения прямых, проведенных через Тх и через Тг под углами -g-= 45° к прямой ТХТ2.

Аналогично произведение ß4ß3 вращений вокруг Ть и Г4 представляет собой симметрию 22 относительно такой точки У, что прямые T3V и Г4К образуют углы 45° с прямой TZTX. Но ясно, что произведение симметрий 222, тогда и только тогда представляет собой тождественное преобразование, когда точки U и V совпадают. Из совпадения точек U и V в свою очередь следует, что треугольник UT2Tt получается из треугольника UTXT3 вращением вокруг точки U = V на 90°, т. е. что отрезки ТХТ3 и Т2Ть равны по длине и взаимно перпендикулярны. Заметим, что и обратно, если четыре точки 7\, Т2, Г3, Г4 таковы, что ТХТ3 = Т2ТХ и 7\Г3 _(_ Т2Т^ то вершины U и V равнобедренных прямоугольных треугольников TXT2U и Г3Г4К совпадут, так что существует четырехугольник АХА2А3АЛ, для которого Tv Т2, Т3, Г4—центры построенных на его сторонах квадратов. Таким образом, условия ТХТ3 = Т2ТА, ТХТ3_\_Т2Т^ полностью характеризуют четырехугольники ТХТ2Т3Т^ отвечающие всевозможным четырехугольникам АХА2А3А^.

4.5. Дальнейшие примеры произведения преобразований.

Мы не будем останавливаться здесь столь же подробно на вопросе о произведении преобразований подобия. Заметим лишь, что проведенная нами классификация движений (т. е. перечисление всех возможных типов движений) моментально приводит и к классификации преобразований подобия, ибо очевидно, что преобразование подобия П с коэффициентом подобия k можно представить как произведение (какой угодно!) гомотетии Г с коэффициентом k и последующего движения А. В самом деле, если П=АГ, где Д—какое-то преобразование, то поскольку и гомотетия Г и исходное преобразование подобия П изменяют все расстояния в k раз, то преобразование А уже не меняет расстояний между точками, т. е. является движением. Таким образом, в определенном смысле все преобразования подобия

Рис. 47.

сводятся к гомотетии (сжатию к точке). Можно также показать, что (в аналогичном смысле) все аффинные преобразования сводятся к сжатию к прямой; более точно, каждое аффинное преобразование А можно представить в виде произведения ПЛ, где Л есть сжатие к прямой I, а П — преобразование подобия. Аналогично, любое круговое преобразование плоскости сводится к инверсии: каждое круговое преобразование К представляет собой произведение UQ инверсии Q и преобразования подобия П. Доказательства этих довольно сложных теорем мы опустим1).

В заключение приведем еще три примера произведений преобразований, отличных от движений.

5°. Пусть Ф1 есть гомотетия с центром Ох и коэффициентом kt, а Ф2—гомотетия с центром 02 и коэффициентом kt. Выберем на плоскости произвольные точки А и В и положим Ф1(А) = А'1 Ф2(А') = А“,Ф1(В) = В'1 Ф2(В') = ВГ. Так как А'В' || AB и AB' H А'В', то Aß' II AB (причем отрезок А“В!' направлен в ту же сторону, что и AB, если оба числа kx и k2 положительны или оба отрицательны, и направлен противоположно AB в противном случае);

так как, далее, ^f-H^J и ^fy^l^l» то ^- = \kx\. \ k2\.

Отсюда следует, что при kxk% = 1 преобразование ФгФ1 представляет собой параллельный перенос на вектор АА“ (рис. 48, а; в этом случае для любой точки В имеем ВВ“#АА“); при kxk24*\ преобразование Ф2Ф1 представляет собой гомотетию с коэффициентом kxk2 (рис. 48, б\ в этом случае, какова бы ни была точка В, прямая “ пересекает А А в такой точке О, что ол“=“д^“ = о^“==1^а| ).

Заметим еще, что если Ф2ФХ есть параллельный перенос, то его направление параллельно прямой Ох02; если же Ф2Ф^ есть гомотетия, то ее центр О лежит на прямой Ог02. Это следует из того, что оба преобразования Фг и Ф2 переводят прямую 0101 в себя; следовательно, эту прямую оставляет на месте также преобразование (гомотетия или параллельный перенос) Ф2ФГ Но гомотетия переводит в себя лишь прямые, проходящие через ее центр, а параллельный перенос — лишь прямые, направление которых совпадает с направлением переноса. Отсюда вытекает, в частности, известная теорема о трех центрах гомотетии: центры гомотетии трех попарно гомотетичных фигур лежат на одной прямой, называемой осью гомотетии (рис. 48, б).

Интересно отметить частный случай последнего предложения, к которому мы приходим, если рассматриваемые фигуры являются окружностями. Известно, что две (не равные) окружности .S1? St

1) См., например, книги Б. Н. Делоне и Д. А. Райкова или И. М. Яглома и В. Г. Ашкинузе, указанные в сноске 2) на стр. 76, а также § 5 гл. I статьи «Окружности», стр. 476—478.

имеют два центра гомотетии, совпадающих в случае окружностей, лежащих одна вне другой, с точками пересечения их общих внешних и внутренних касательных (рис. 49). Отсюда вытекает, в силу доказанной выше теоремы, что три точки пересечения общих внешних касательных (т. е. три внешних центра подобия) трех попарно неравных окружностей лежат на одной прямой. Можно взять и другие комбинации внешних и внутренних центров подобия: шесть попарных

Рис. 48.

Рис. 49.

центров подобия трех (попарно не равных) окружностей лежат по три на четырех прямых (осях подобия рассматриваемых трех окружностей, рис. 49).

6°. Пусть Фх—инверсия с центром О и степенью kv Ф2— инверсия с тем же центром О и [иной) степенью k2. В таком случае, если Ф (А) = А' и Ф(Л') = Л“, то точка А“ лежит на прямой OA (ибо А' лежит на прямой OA, а А“ — на прямой OA') и щ^=^

Отсюда, как может показаться, следует, что преобразование Ф.^ совпадает с гомотетией Г с центром О и коэффициентом А. Однако надо иметь в виду, что преобразование Ф2ФХ хотя и очень близко к гомотетии Г, но отличается от Г областью действия: областью действия гомотетии Г является плоскость, а областью действия преобразования Ф.^— либо плоскость с исключенной точкой О (не входящей в область определения обоих преобразований Фх и Ф2), либо «расширенная» (круговая) плоскость.

7°. Совершенно так же показывается, что произведение 1¥t1¥î гиперболических инверсий 1¥1 и Y2 с одной и той же осью о и (разными) степенями kx и k2 отличается от сжатия к прямой о с коэффициентом ~ лишь тем, что областью определения преобразования Ч^Ч^ является не вся плоскость, а плоскость с выброшенной прямой о (или плоскость, надлежащим образом дополненная «несобственными» элементами).

§ 5. Обратное преобразование

5.1. Определение обратного преобразования. После того как мы перевели на язык геометрических преобразований понятие сложной функции, естественно вспомнить и о понятии обратной функции. Известно, что две функции f(x) и g(x) называются взаимно обратными, если из того, что f{x)=y, следует g(y) = x; так, например, взаимно обратными являются функции f(x) = x2 и g(x) =Y или f(x) = ax и g(x)= loga X, или f(x)=sinx и g(x) = =arcsm.x;. Иногда для обратной функции употребляется еще следующее обозначение: функция, обратная для f(x), записывается как /_1 (х); так, вместо ar^sinx в старину зачастую писали sin“1.*, а в английских учебниках и теперь пишут так. Важно заметить, что функцию, обратную для функции f(x), можно определить только в том случае, если ни при каких двух разных значениях X функция /(х) не принимает одинакового значения у; именно поэтому при определении функции, обратной функции х* или sin л; приходится ограничивать область изменения х условиями

соответственно

Заменив теперь х и у в определении обратной функции точками (при этом роль самой функции будет играть геометрическое отображение), мы придем к понятию обратного отображения. Пусть Ф — некоторое взаимно однозначное отображение с областью определения Л и областью значений Л'. Тогда, как мы знаем, для любой точки Л' области значений Л' найдется ровно одна точка А области Л, для которой Ф(Л) = Л' (это и есть определение взаимно однозначного отображения). Эту точку А называют прообразом точки А' при отображении ф и обозначают символом Ф“1 (Л'). Таким образом, с каждой точкой А' области Л' сопоставляется определенная точка А = Ф~1(А') области Л. Тем самым мы приходим к новому отображению Ф“1 с областью определения Л' и областью значений Л. Это отображение и называется обратным для отображения Ф. Так, например, функция y = sinx осуществляет взаимно однозначное отображение отрезка Л = |^— у, у действительной оси на отрезок Л'=[—1, 1]. Поэтому определено обратное отображение отрезка Л' на отрезок Л; это обратное отображение обозначается символом aresin.

В геометрии особенно интересен случай, когда Ф есть преобразование с областью действия Л. Так как Ф взаимно однозначно, то определено обратное отображение Ф-1, которое, очевидно, также является преобразованием с той же областью действия Л. Это преобразование Ф“1 называется обратным преобразованием для преобразования Ф. Так, например, обратным для параллельного переноса на вектор ММ' является перенос на (противоположный!) вектор M'M (ибо если АА'= ММ\ то А'А = М'М); обратной для гомотетии с центром О и коэффициентом k является гомотетия с тем же центром о и коэффициентом -^-1 если -^4“ = «> т0 оаг = Т) обратным для сжатия к прямой о с коэффициентом k является сжатие к той же прямой с коэффициентом ^ .

5.2. Инволюции. Особую роль в геометрии играют такие преобразования, которые обратны сами себе (другими словами, такие преобразования Ф, которые «меняют местами» пары точек: если Ф(Л) = Л\ то ф(Л') = Л). Примерами таких преобразований являются: симметрия относительно точки, симметрия относительно прямой, инверсия (в частности, симметрия относительно окружности; см. стр. 56), гиперболическая инверсия (в частности, симметрия относительно пары параллельных прямых; см. стр 59). Такие преобразования называют инволютивными преобразованиями или инволюциями1) (иногда их называют также симметриями).

1) Латинский термин involutio означает скрученное состояние молодых листьев. Это — единственный термин, оставшийся в геометрии от замечательного математика XVII в., создателя проективной геометрии Ж. Дезарга, использовавшего в своем трактате массу новых терминов, как правило заимствованных из ботаники.

Взаимно обратные преобразования Ф и Ф-1 можно определить еще как такие, произведение которых, взятых в любом порядке, представляет собой тождественное преобразование (их общей области действия). В частности, тождественным преобразованием является «квадрат» Ф2 любого инволютивного преобразования Ф. В самом деле, преобразования Ф и Ф-1 таковы, что из Ф(А)=А' следует Ф-1(Л') = Л, и поэтому

Фф-*(А') = Ф(А)=А', Ф“1Ф(Л) = Ф-1(Л,) = Л,

т. е. ни преобразование Ф-1Ф, ни преобразование ФФ-1 не меняют положения точек в их обшей области действия А-

§ 6. Общее определение геометрии. Группы геометрических преобразований

6.1. Предмет геометрии. Учение о геометрических преобразованиях сыграло важную роль в оформлении наших взглядов на сам предмет геометрии. Оно лежит в основе одного из самых распространенных общих определений геометрии, позволяющего разобраться в сущности сходства и отличий между различными ветвями этой обширной математической дисциплины. Для того чтобы прийти к подобному определению «геометрии», понимаемой в широком смысле этого слова, нам надо будет прежде всего остановиться на вопросе о содержании обычной геометрии Евклида.

В средней школе говорят, что предметом геометрии является изучение свойств геометрических фигур. При этом «геометрическую фигуру» можно описать как какую-то совокупность точек; труднее ответить на вопрос о «свойствах», которые интересуют геометра. Ясно, что здесь речь идет не о всех вообще свойствах, какие только можно придумать; так, цвет фигуры, вопрос о том, начерчен ли треугольник белым по черному (мелом на доске) или черным по белому (карандашом в тетради) вовсе не рассматривается на уроках геометрии. Поэтому, для того чтобы уточнить данное выше описание геометрии, необходимо уяснить себе, чем характеризуются геометрические свойства фигур.

Для того чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к тем задачам, которые решаются в геометрии, прежде всего к задачам на построение, являющимся типичными для этого предмета. Из школьного курса хорошо известно, что для того, чтобы задача на построение треугольника имела определенное решение (возможно, несколько решений, скажем, два или четыре), надо задать три независимых элемента треугольника, например три стороны или две стороны и угол; два элемента, вообще говоря, определяют бесконечно много треугольников, а четыре произвольно заданных элемента—ни одного. Однако утверждение о том, что существует единственный треугольник с заданными длинами а, Ь, с сторон, строго говоря, не верно: на самом деле таких треугольников можно найти беско-

нечно много, но все эти треугольники буду г между собой равны1) (рис. 50). И когда мы говорим, что задача построения треугольника по трем сторонам имеет единственное решение, мы только подчеркиваем этим, что все треугольники со сторонами а, Ъ, с будут одинаковыми, равными.

Но что означает в геометрии слово «равные»? Под «равными» фигурами мы понимаем такие две фигуры Fx и F2, которые отличаются друг от друга только положением (не формой и не размерами!), т. е., другими словами, равными считаются две фигуры, одна из которых может быть переведена в другую с помощью некоторого движения (ср. выше, стр. 60). И если в геометрии треугольники (или другие фигуры), получающиеся друг из друга движением, считаются одинаковыми, т. е. не различаются между собой, то это значит, что и все свойства у этих треугольников (фигур) будут одними и теми же. Таким образом, мы видим, что рассматриваемые в геометрии свойства фигур — это те свойства, которые не зависят от положения фигуры, т. е. не изменяются при ее движении: геометрия изучает свойства фигур, сохраняющиеся при движении фигуры.

Вспомним, что движения мы определили как такие геометрические преобразования, которые сохраняют расстояния между любыми двумя точками (см. стр. 60); это соответствует тому, что у равных фигур отвечающие друг другу отрезки одинаковы2) (так, у равных треуголь-

Рис 50.

1) Ср текст на стр. 296—297 этой книги ЭЭМ.

2) Более точная формулировка заключается в следующем Пусть Fx и F2 — две равные фигуры; тогда существует движение Ф, переводящее фигуру F, в F2, т. е. F2 = <D(F,). Точку А2 фигуры F2 называют соответствующей точке Л, фигуры F„ если Л2 = Ф(Л,). Из определения движения следует, что расстояние между любыми двумя точками Л, и Вх фигуры F, равно расстоянию между соответствующими им точками Л2=Ф(Л,) и ß, = 0(ß.) фигуры F2:

ников будут равны не только стороны, но и соответствующие биссектрисы, медианы, высоты и т. д.). Сформулированное выше определение геометрии можно теперь перефразировать так: геометрия изучает свойства фигур, сохраняющиеся при таких преобразованиях, которые не меняют расстояний между точками.

Такое определение геометрии создает впечатление, что первыми, самыми главными свойствами геометрической фигуры, являются расстояния между ее точками. Но на самом деле это не так — понятие расстояния между точками (длины отрезка) вообще не фигурирует (и не может фигурировать!) ни в одной геометрической теореме. В самом деле, длина отрезка определяется сравнением его с некоторым фиксированным раз навсегда отрезком, называемым единицей длины; поэтому утверждение (в условии или в доказательстве какой-либо теоремы) о том, что определенный отрезок равен, скажем, двум, означает, что в этом отрезке два раза укладывается отрезок, принятый за единицу длины. Таким образом, это утверждение привлекает к рассмотрению единичный отрезок, а между тем все отрезки с точки зрения геометра совершенно равноправны и, оставаясь в рамках собственно геометрии, нет никакой возможности отделить какой-нибудь из них для того, чтобы принять его за единичный! Именно поэтому все определения единицы длины апелируют к понятиям, которые никак нельзя отнести к геометрии: так, метр определялся как расстояние между двумя отметками на платиново-иридиевом эталоне метра, хранящемся в Парижском институте мер и весов, или, несколько менее точно, как одна 40 000 000-я часть парижского меридиана Земли (ср. с «чисто геометрическим» определением прямого угла как такого, который равен своему смежному, или угла в 1 радиан, определяемого равенством отвечающей ему дуги окружности радиусу окружности). Поэтому ни в одной геометрической теореме не может участвовать длина какого-нибудь отрезка, а лишь отношение длин двух отрезков, не зависящее от выбора единицы длины (например теорема о соотношении между углами и сторонами треугольника утверждает, что если ^Л>^/Д то у>1» а теорема о прямоугольном треугольнике с углом в 30° — что если в треугольнике ABC мы имеем ^ Л = 90° и ^/£=30°, то | = 2^ .

Все эти соображения заставляют нас считать, что правильнее охарактеризовать (евклидову) геометрию как науку, изучающую свойства фигур, сохраняющиеся при преобразованиях, не меняющих отношений расстояний между точками, т. е. при преобразованиях подобия (см. стр. 61). Но такое определение, справедливость которого была мотивирована лишь рассуждениями, относящимися к геометрическим теоремам, перестает быть верным при переходе к задачам на построение. В самом деле,

в этих задачах длина отрезка задается не числом, выражающим отношение рассматриваемого отрезка к единице длины, а геометрически— указанием отрезка, равного интересующему нас (ср. рис. 50). Поэтому, если в геометрических теоремах подобные фигуры можно считать «одинаковыми», обладающими одними и теми же геометрическими свойствами, то в задаче на построение треугольник AXBXCV все стороны которого в два раза больше сторон данного треугольника ABC, будет уж существенно отличаться от ABC— лишь один из этих двух треугольников может доставлять решение задачи на построение треугольника, но никак не оба сразу!

Создавшееся положение может первоначально показаться довольно неожиданным. Нам приходится считать, что при решении задачи на построение и при доказательстве теоремы мы имеем дело с двумя разными определениями предмета геометрии и, следовательно, с двумя разными (хоть и очень близкими одна к другой!) «геометриями». Это положение вынуждает нас дать геометрии новое определение, которое охватило бы оба определения, к которым мы пришли выше: лишь имея подобное «общее» определение, мы сможем считать, что геометрия представляет собой единую науку, а не две разные науки, которым лишь по ошибке присвоено одинаковое название.

6.2. Геометрия и группы преобразований. Нетрудно понять, как можно объединить наши два определения геометрии. Вместо движений или преобразований подобия мы будем говорить о какой-то совокупности © геометрических преобразований, не уточняя, о каких именно преобразованиях идет речь; «равными», т. е. обладающими одинаковыми свойствами, мы объявим те фигуры, которые переводятся одна в другую каким-либо преобразованием из совокупности ©. При этом мы придем к определению геометрии как наука, изучающей свойства фигур, сохраняющиеся при преобразованиях из заданной совокупности © преобразовании.

Однако если определение геометрии как науки, изучающей свойства фигур, сохраняющиеся при движениях, является слишком узким, то последнее определение геометрии является уже слишком широким, и в силу этого также неудовлетворительным. В самом деле, согласно этому определению мы считаем «равными» две такие фигуры Fx и Fv что одну из них можно перевести в другую некоторым преобразованием из совокупности ©. Но для того, чтобы новое понятие «равенства» не расходилось со старым очень уж далеко, естественно потребовать выполнения следующих трех свойств, которые выполняются абсолютно для всех типов «равенства», с которыми мы встречаемся в математике и в жизни1) (равенства чисел, алгебраических выражений, векторов, геометрических фигур, физических характеристик как сил или скоростей, равенства способностей,

1) Ср. текст на стр. 296—297 этой книги ЭЭМ.

зспехов, художественных достоинств двух произведений искусства и т. д.):

1 °. Каждая фигура F «равна» сама себе (рефлексивность).

2°. Если фигура Ft «равна» фигуре Ft, то и обратно, Ft «равна» (симметричность).

3°. Если фигура Fx «равна» Ft, a Ft «равна» Fs, то и Ft «равна» F9 (транзитивность).

Ясно, что в случае совершенно произвольной совокупности © преобразований «равенство», определенное с помощью этой совокупности, может и не обладать свойствами 1°—3°. Для того чтобы обеспечить выполнение этих грех свойств, естественно потребовать, чтобы:

1°. Совокупность преобразований ® содержала тождественное преобразование I, переводящее всякую фигуру саму в себя.

2°. Наряду с каждым преобразованием Ф. переводящим фигуру Fx в фигуру F%t совокупность содержала и обратное преобразование Ф“\ переводящее фигуру F2 в фигуру Ft.

3°. Наряду с каждыми двумя преобразованиями Ф w переводящими фигуру Fx в фигуру F2, соответственно фигуру F2 — в фигуру Ft, совокупность @ содержала и произведение этих двух преобразований, переводящее Ft в F9.

Совокупность преобразований, удовлетворяющая свойствам 1°—3°, называется группой преобразований1). Таким образом, мы приходим к следующему общему определению геометрии, впервые сформулированному известным немецким математиком Феликсом Клейном в лекции, которую он прочитал при вступлении на профессорскую кафедру университета в г. Эрлангене (Германия)2) и которая впоследствии получила название Эрлангенской программы Клейна3):

Геометрия — это наука, изучающая свойства фигур, сохраняющиеся при преобразованиях некоторой группы & преобразований.

6.3. Различные геометрии. Аффинная геометрия. Из приведенного выше определения геометрии вытекает, что можно построить очень

1) Ср. также стр. 27—28 этой книги ЭЭМ.

2) В Германии долгое время существовал обычай, согласно которому кандидат на замещение профессорской должности должен был выступить перед Ученым советом с лекцией на свободно чыбоанную им тему; на основании этой лекции Ученый совет делал заключение о возможности допущения данного лица к профессуре.

В 1854 г. другой выдающийся немецкий математик Бернгард Риман точно так же выступил перед Ученым советом Гетингенского университета с лекцией «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», в которой изложил свою концепцию геометрии, явившуюся, по существу, первым общим определением геометрической науки (отличным от более позднего определения Клейна). Взглядов Римана на геометрию, не связанных с понятием геометрического преобразования, мы здесь коснуться не можем (см. по этому поводу статью о неевклидовых геометриях в следующей книге ЭЭМ).

3) См. работу Ф. Клейна [1], цитированную в конце статьи.

много разных «геометрий» — столько же, сколько имеется разных групп преобразований; лишь одной из них является обычная геометрия Евклида, изучаемая в средней школе. Мы уже говорили в начале этого параграфа о том, что геометрия (обычная, евклидова) изучает свойства фигур, сохраняющиеся при движениях. Этот взгляд на геометрию вполне согласуется с приведенным выше определением Клейна, ибо совокупность 2) всех движений плоскости является группой. В самом деле, произведение двух любых движений снова является движением; преобразование, обратное некоторому движению, само является движением; движением является также и тождественное преобразование (все это непосредственно следует из определения движений). Другой пример группы преобразований мы получим, рассматривая совокупность (£ всех преобразований подобия. Как мы уже отмечали выше, геометрия, определяемая группой движений ©, несколько отличается от геометрии, определяемой группой (£ преобразований подобия, хотя эти геометрии очень близки друг другу. |Аожно сказать, что предмет школьного курса геометрии представляет собой «переплетение» этих двух родственных геометрий: геометрии группы © и геометрии группы (5 Выбирая в качестве ® группу преобразований, отличную от группы движений (или от группы преобразований подобия), мы придем к иной математической дисциплине к новой, «не евклидовой» геометрии1).

Нетрудно понять, что совокупность 31 всех аффинных преобразований плоскости (см. стр. 62) образует группу. В самом деле: 1° тождественное преобразование плоскости, очевидно, переводит каждую прямую линию снова в прямую (в ту же самую!) и, значит, является аффинным преобразованием; 2° если преобразование Ф переводит каждую прямую / снова в прямую /', то и обратное преобразование Ф“1 переводит прямую в прямую (/' в /), т. е. преобразование, обратное аффинному, также является аффинным; 3° если преобразование Ф переводит каждую прямую / в прямую V и преобразование Ч? также переводит прямую в прямую (/' в /“), то и их произведение WO снова переводит прямую в прямую (/ в /“), т. е. произведение двух аффинных преобразований является аффинным преобразованием. Отсюда следует, что можно рассматривать «геометрию», изучающую «аффинные» свойства фигур, т. е. свойства, сохраняющиеся при аффинных преобразованиях (геометрия группы 31); соответствующая дисциплина — аффинная геометрия — является в настоящее время большой самостоятельной наукой.

В аффинной геометрии можно говорить о точках и о прямых, поскольку эти понятия сохраняются при аффинных преобразованиях

1) Очень важную категорию этих «не евклидовых» геометрий составляют так называемые неевклидовы геометрии (без кавычек) и, в частности, неевклидова геометрия Лобачевского (см. по этому поводу статью о неевклидовых геометриях в кн. V ЭЭМ).

(точка переходит снова в точку и прямая — в прямую). Однако, скажем, понятие окружности в аффинной геометрии отсутствует— ведь аффинные преобразования могут перевести окружность в линию, не являющуюся окружностью; поэтому окружность здесь «не имеет геометрического смысла» (подобно тому как в обычной или евклидовой геометрии не имеет смысла, скажем, понятие горизонтального направления)1). Далее, в аффинной геометрии можно говорить о параллельных прямых, но не о перпендикулярных прямых; об отношении отрезков, принадлежащих одной прямой, но не об отношении отрезков, принадлежащих разным (не параллельным) прямым (см. свойства аффинных преобразований, указанные в п. 3.3, стр. 77). Так, типичной аффинной теоремой является следующая: три медианы треугольника пересекаются в одной точке и делятся в ней в отношении 2:1 считая от вершины; в самом деле, все фигурирующие в этой теореме понятия имеют аффинный характер. Напротив, скажем, теорема о точке пересечения высот треугольника связана с понятием перпендикулярных прямых, отсутствующим в аффинной геометрии — и в этой геометрии теорему о точке пересечения высот невозможно сформулировать2).

Аналогично аффинным преобразованиям составляют группу и круговые преобразования (круговой!) плоскости (см. стр. 62); этой группе преобразований отвечает своя «геометрия», которую можно было бы назвать круговой геометрией (чаще говорят об аналагматической, или конформной геометрии)3). Приведенные соображения доставляют также дополнительную мотивировку целесообразности введения такого понятия, как круговая плоскость, поскольку лишь на «расширенной» соответствующим образом плоскости можно говорить о группе круговых преобразований и, значит, лишь круговая но не евклидова) плоскость может служить «полем действия» круго-

1) Напротив, понятие эллипса (см статью о конических сечениях d кн. V ЭЭМ) принадлежит аффинной геометрии (поскольку каждое аффинное преобразование переводит эллипс снова в эллипс).

2) Аффинную геометрию можно строить и аксиоматическим путем (ср. со статьей «Аксиомы и основные понятия геометрии» в этой книге ЭЭМ). Для этого надо выбрать какие-то основные, неопределяемые понятия аффинной геометрии и сформулировать в виде аксиом основные их свойства, из которых все остальные теоремы аффинной геометрии уже можно получить дедуктивным путем. Аксиоматика аффинной геометрии близка к аксиоматике евклидовой геометрии; только понятие «равенства» отрезков или углов в ней не имеет смысла и связанные с этим понятием аксиомы должны быть откинуты или заменены другими (см., например, указанную в подстрочном примечании на стр 62 книгу И. М. Яглома и В. Г. Ашкинузе, целиком посвященную аффинной геометрии). Иной вариант аксиоматики аффинной геометрии намечен в статье «Векторы и их применения в геометрии » и напечатанной в этой книге ЭЭМ (стр. 292—381).

3) Некоторое представление о содержании этой интересной геометрии можно получить из статьи «Окружности» в этой книге ЭЭМ.

вой (аналагматической) геометрии. Еще одну важную группу преобразований (проективные преобразования), приводящую к необходимости «расширения» плоскости введением «несобственных» элементов, мы рассмотрим в следующем параграфе.

Аффинная и круговая (аналагматическая) геометрии представляют собой обширные разделы геометрии, которым (так же как и рассматриваемой в следующем параграфе проективной геометрии) посвящена значительная литература и которые имеют важные приложения. Однако существует и много других «геометрий», отвечающих иным группам геометрических преобразований.

В качестве примера отметим здесь «геометрию», изучающую свойство фигур, сохраняющиеся при параллельных переносах (т е. «геометрию», в которой «равными» считаются лишь фигуры, равные в обычном смысле и параллельно расположенные). Нетрудно видеть, что совокупность $ всех параллельных переносов плоскости представляет собой группу; в самом деле:

1°. Тождественное преобразование I можно рассматривать как параллельный перенос (в любом направлении!) на нулевое расстояние.

2°. Преобразование, обратное параллельному переносу, представляет собой параллельный перенос (см. стр. 97).

3*. Произведение двух параллельных переносов также есть параллельный перенос (см. стр. 81).

Поэтому изучение таких свойств фигур, которые являются общими для всех фигур, получающихся одна из другой параллельным перенесением, является занятием вполне осмысленным (хоть и не очень интересным), и соответствующая «геометрия» (геометрия группы 9>) с логической стороны должна считаться столь же законной, как и обыкновенная евклидова геометрия (которой она, однако, неизмеримо уступает с точки зрения важности ее приложений)1).

В этой новой «геометрии» теряет смысл целый ряд понятий обыкновенной (евклидовой) геометрии, например длина отрезка (ибо отрезки разных направлений здесь являются «несравнимыми», поскольку никакие два такие отрезка нельзя совместить «движением») или величина угла (по аналогичной причине). Нельзя определить здесь и окружности, поскольку оба определения окружности — как геометрического места точек, удаленных от фиксированной точки на постоянное расстояние, и как геометрического места точек, из которых данный отрезок виден под постоянным (ориентированным) углом — оказываются бессодержательными. В противоположность этому понятие прямой линии, разумеется, полностью сохраняет свое значение в новой «геометрии»; можно считать даже, что оно играет здесь большую роль, чем в евклидовой геометрии, поскольку теперь прямая является единственной линией, которую можно «движением» совместить саму с собой. Отсюда вытекает, что в нашей «геометрии» можно по-прежнему говорить о треугольниках, четырехугольниках и т. д. и изучать их свойства. Важную роль играет в рассматриваемой «геометрии» понятие отношения отрезков о^ной прямой (или

1) Эту «геометрию» можно определить тем, что в ней равные фигуры характеризуются как такие, у которых отрезки, соединяющие соответствующие друг другу пары точек, не только равны в обычном смысле этого слова, но также параллельны и одинаково направлены (см. т. I книги И. М. Яглома [2], указанной в конце статьи, стр. 22—23)

параллельных прямых), при определении которого достаточно говорить о равенстве отрезков одного направления, «равных» и в старом (евклидовом) и в новом смысле; мы можем даже ввести для отрезков фиксированного направления понятие «длины» (не имея, однако, никакой возможности сравнивать «длины» отрезков разных направлений!). Сохраняет смысл в новой «геометрии» и понятие площади плоской фигуры, поскольку евклидово определение площади, связанное с рассмотрением сети квадратов и подсчетом числа покрываемых фигурой квадратов, использует лишь равенство квадратов сети, а эти квадраты также «равны» и в смысле рассматриваемой здесь «геометрии»1).

Разумеется, все теоремы евклидовой геометрии, которые можно сформулировать в терминах «геометрии параллельных переносов», остаются верными и в этой новой «геометрии»; это вытекает из того, что если все движения плоскости сохраняют некоторые свойства геометрических фигур, то, разумеется, эти свойства не нарушаются и при параллельных переносах. Так, например, мы по-прежнему можем утверждать, что медианы треугольника пересекаются в одной точке и делятся в ней в отношении 2:1, считая от вершины (ясно, что все понятия, фигурирующие в этой теореме, в новой «геометрии» имеют смысл), или что два треугольника ABC и ABClt для которых CCj || AB, равновелики (рис. 51). В противоположность этому, скажем, теоремы о том, что пересекаются в одной точке высоты или биссектрисы треугольника теряют здесь смысл, поскольку мы теперь не можем говорить о перпендикулярности прямых (и, следовательно, о высотах) и о равенстве углов с непараллельными сторонами (а значит, и о биссектрисах).

Теоремы евклидовой геометрии, связанные с понятиями, имеющими в рассматриваемой здесь «геометрии» новый смысл, могут изменить в этой «геометрии» свою формулировку. Так, например, из «равенства» двух треугольников ABC и А В'С по-прежнему следует «равенство» их соответствующих сторон (рис. 52; кавычки, в которые мы берем слово «равенство», подчеркивают, что мы понимаем его теперь не так, как в евклидовой геометрии); однако теперь уже из «равенства» двух пар сторон (например, AB и А'В'\ АС и А'С) вытекает «равенство» треугольников. Можно указать еще целый ряд предложений, которые имеют силу в рассматриваемой здесь «геометрии», но не в геометрии Евклида; так, например, для «равенства» двух треугольников ABC и А'В'С здесь необходимо (и достаточно) «равенство» трех отрезков АА', ВВ' и СС (см. тот же рис. 52), а из «равенства» противоположных сторон AB и DC четырехугольника ABCD вытекает, что «равны» и стороны AD и ВС и что диагонали АС и BD четырехугольника в точке пересечения делятся пополам (рис. 53)2).

Видоизменением рассматриваемой «геометрии» (геометрии группы $) является другая «геометрия», изучающая свойства фигур, сохраняющиеся при всевозможных параллельных переносах и при симметриях относительно

1) Ничего не меняет и то обстоятельство, что при таком определении площади плоской фигуры («Конструктивное определение площади»; см. в кн. V ЭЭМ статью «Площадь и объем») приходится говорить не об одной сети квадратов, а о бесконечной последовательности таких сетей с неограниченно уменьшающимися квадратами сети.

2) К рассматриваемой здесь «геометрии» по существу относится учение о векторах (см. статью «Векторы и их применения в геометрии», в этой книге ЭЭМ), поскольку равенство векторов (направленных отрезков) AB и CD можно определить так: векторы AB и CD равны, если один из них можно совместить с другим параллельным переносом (ср. стр. 296).

любых точек плоскости. Эти свойства, действительно, составляют предмет некоторой «геометрии», поскольку совокупность © всех параллельных переносов и симметрий относительно точек образует группу:

1°. Тождественное преобразование I можно рассматривать как «нулевой» параллельный перенос.

Рис. 51. Рис. 52.

Рис. 53.

2°. Преобразование, обратное параллельному переносу, снова есть параллельный перенос; преобразование, обратное симметрии относительно точки, есть снова симметрия относительно точки (та же самая).

3°. Произведение двух параллельных переносов снова есть параллельный перенос; произведение параллельного переноса и симметрии относительно точки (взятых в любом порядке) есть симметрия относительно точки (см. стр. 81—83), произведение двух симметрий относительно двух точек есть параллельный перенос (см стр. 83; если центры двух симметрий совпадают, то их произведение представляет собой «нулевой» параллельный перенос).

Отсюда следует, что совокупность В всех параллельных переносов и всех симметрий относительно точек может быть положена в основу определения своеобразной «геометрии»1). Эта «геометрия» в известном смысле является промежуточной между рассматриваемой выше и евклидовой геометриями, поскольку группа <& является промежуточной между группой параллельных переносов и группой 3) движений (группа © содержит группу $ и содержится в группе £)) Соответственно этому эта новая «геометрия» ближе к евклидовой геометрии, чем рассмотренная нами выше «геометрия» группы % Так, например, теперь мы уже можем утверждать, что вертикальные углы «равны», ибо два таких угла можно совместить симметрией относительно их общей вершины (в геометрии группы ^ эта теорема неверна); далее, в новой геометрии «равенства» двух пар сторон треугольников ABC и А'В'С недостаточно для того, чтобы утверждать, что «равны» и сами треугольники (рис. 54), в то время как «равенство» трех пар сторон уже с неизбежностью влечет за собой «равенство» треугольников Наконец, интересный пример теоремы, сохраняющей силу как

1) В этой геометрии «равными» считаются такие фигуры, что отрезки, соединяющие соответствующие друг другу пары точек этих фигур, не только равны в обычном смысле, но и параллельны, хотя их направления могут быть и противоположными (ср. т. 1 книги |2], стр. 22—23 и 27)

в евклидовой геометрии, так и в «геометрии» группы ©, но нарушающейся в «геометрии» группы Sß, доставляет так называемая теорема Бойяи — Гервина: любые дв2 равновеликих многоугольника равносоставлены, т. е. могут быть разбиты на соответственно «равные» многоугольные части1)

6.4. Группы преобразований в физике. В заключение настоящего параграфа отметим, что определение геометрии по Клейну, выдвигающее на первый план понятие о геометрических преобразованиях, которые сохраняют интересующие нас свойства фигур (т. е. играют роль «движений» соответствующей «геометрии»), находит своеобразное отражение и в физике. Вспомним так называемый принцип относительности Галилея, играющий фундаментальную роль в механике и утверждающий, что никакие физические эксперименты, производимые внутри механической системы, не моги m позволить обнаружить равномерное и прямолинейное движение этой системы. В силу этого принципа, производя какие угодно опыты, скажем, на корабле, двигающемся в постоянном направлении с неизменной скоростью, мы не сможем обнаружить никаких эффектов, обязанных своим происхождением движению корабля. Из принципа относительности Галилея следует, что все изучаемые физикой свойства сохраняются при «преобразованиях» физической системы, состоящих в придании ей постоянной по величине и направлению скорости (эти «преобразования» называются преобразованиями Галилея). Иными словами, «физические свойства» тел можно описать как такие свойства, которые не меняются при преобразованиях Галилея (ср. с определением «геометрических свойств» как таких, которые сохраняются при движениях, стр. 99).

Принципу относительности Галилея можно придать «геометризированную» форму, совершенно непосредственно связывающую его с определением геометрии по Клейну. Предположим, для простоты, что мы ограничиваемся физическими процессами, которые можно считать происходящими в одной плоскости, например изучаем движения физических тел на ограниченном участке земной поверхности, который можно мыслить себе плоским. Рассматриваемую плоскость мы отнесем к декартовым прямоугольным координатам (х, у); при этом, скажем, механическое движение материаль-

Рис. 54.

1) См. в кн. V ЭЭМ статью «о равносоставленности многоугольников и многогранников Тот факт, что эта теорема сохраняет силу в геометрии группы @, составляет содержание так называемой теоремы Хадвигера — Глюра В «геометрии» группы $ теорема Бойяи — Гервина заменяется следующей: для того чтобы два равновеликих многоугольника M и М' были равносоставлены, необходимо и достаточно, чтобы сумма (ориентированных]) длин сторон М, параллельных каждой прямой I плоскости, была равна сумме (ориентированных) длин параллельных I сторон М' (см. В. Г. Болтянский, Равновеликие и равносоставленные фигуры; М., Гостехиздат, 1956; здесь используется то, что в «геометрии» группы $ можно для отрезков любого фиксированного направления / ввести понятие «длины отрезка»).

ной точки будет задаваться формулами, указывающими закон изменения во времени координат точки

где t—время. Совершенно ясно, что переход к иной системе координат никак не может отразиться на содержании физических законов, которые, следовательно, должны одинаково записываться в координатах (*, у) и в координатах (*', t/)f получающихся при произвольном повороте осей координат и сдвиге начала координат (рис. 55). Нетрудно убедиться, что переход от координат (*, у) к координатам (*', у') задается формулами

(*)

в которых а обозначает угол, образованный осью х с осью х', а а, Ь — координаты начала О системы координат (х, у) в системе (х',у')1), поэтому любое предложение, имеющее физический смысл, должно сохранять свою форму при преобразовании^). Принцип же относительности Галилея утверждает, что, более того, также и в том случае, если начало и оси системы координат (*', у') движутся равномерно и прямолинейно по отношению к системе координат Ху уу то и тогда все физические процессы будут записываться в координатах (х', у') и в координатах (*, у) совершенно одинаково. Но в том случае, когда начало О' координат (х', у') двигается со скоростью V по прямой, образующей с осью х угол ß (см. тот же рис. 55), связь между координатами (*', у') и (х, у) будет записываться формулами

(**)

таким образом, все имеющие физический смысл явления должны сохранять свою форму при преобразованиях (**). Учитывая еще, что в последние формулы входит также и время, t и что выбор того или иного начала отсчета времени никак не может отразиться на физической сущности какого-либо процесса, мы можем переписать формулы (**) в следующем несколько более полном виде:

(***)

здесь d есть время старого начала отсчета времени в новой системе отсчета. Формулы (***) и описывают математически преобразования Галилея; принцип относительности Галилея утверждает, что физика (точнее — механика), изучающая лишь движения в плоскости, может быть определена как наука о свойствах трехмерного «мира» (пространства —времени) (jc, у, t)t

Рис. 55.

1) См. любой курс аналитической геометрии.

сохраняющихся при преобразованиях (***). Поскольку преобразования Галилея (***), как легко показать, образуют группу, то это описание отождествляет механику плоских движений с некоторой «геометрией» трехмерного пространства, определенной заданием группы (***) «движений»(1).

Заметим еще, что современная физика заменяет принцип относительности Галилея так называемым принципом относительности Эйнштейна, лежащим в основе (специальной) теории относительности; это приводит к необходимости заменить преобразования Галилея (***) более сложными преобразованиями, которые называются преобразованиями Лоренца. Преобразования Лоренца зависят от некоторого параметра с (физический смысл которого расшифровывается теорией относительности: с есть скорость света в пустоте); при с—► с» они переходят в преобразования Галилея. Преобразования Лоренца также образуют группу; таким образом, переход от классической механики Галилея и Ньютона к теории относительности Эйнштейна и Пуанкаре равносилен изменению взгляда на «геометрию» окружающего нас мира, причем эта «геометрия», в полном согласии с точкой зрения Клейна, задается указанием группы преобразований, сохраняющих вид физических законов1).

§ 7. Группа проективных преобразований

7.1. Гомология. Наш рассказ о геометрических преобразованиях был бы неполным, если бы мы не упомянули, хотя бы кратко, о проективных преобразованиях, совокупность которых составляет группу проективных преобразований. Эта группа, одна из важнейших для геометрии, определяет своеобразную «геометрию», носящую название проективной геометрии и тесно связанную как с евклидовой и аффинной геометриями, так и с неевклидовыми геометриями. Проективной геометрии посвящено много обстоятельных учебных руководств2); здесь же мы лишь бегло очертим ее предмет.

Знакомство с проективными преобразованиями мы начнем с одного интересного преобразования — гомологии, определение которого мы первоначально сформулируем намеренно неточно. Гомологией3) с осью о и центром О называется преобразование плоскости, переводящее прямые снова в прямые и оставляющее на месте

1) «Геометрия» пространства-времени, в котором мы живем, представляет собой одну из так называемых неевклидовых геометрий, о которых упоминалось в подстрочном примечании на стр. 103; эта «геометрия» (независимо от того, кладутся ли в основу ее построения преобразования Галилея или преобразования Лоренца) отлична как от обычной геометрии Евклида, так и от неевклидовой геометрии Лобачевского. По этому поводу см. в кн. V ЭЭМ статью «Неевклидовы геометрии», в которой будет подробнее изложен вопрос о геометрическом истолковании физических законов.

2) См., например, Г. Б. Гуревич, Проективная геометрия, М., Физматгиз, 1960; X. С. М. Кокстер, Действительная и проективная плоскость, M , Физматгиз, 1960.

3) От греческих слов оц.ос — одинаковый и Яоуос — смысл.

каждую прямую, проходящую через мочку О, и каждую точку г принадлежащую прямой о. Отсюда следует, что прямую /, пересекающую ось о в точке Q, гомология Г переводит в прямую /\ пересекающую ось о в той же точке (ибо Г (Q =Q), а каждую параллельную оси о прямую m гомология переводит в прямую т', также параллельную прямой о (ибо в точку пересечения прямых т' и о могла бы перейти лишь та же самая точка, а прямая m не пересекает о).

Для того чтобы построить точку А', в которую гомология Г переводит произвольную точку А плоскости, достаточно знать образ М' =Г(М) какой-либо точки M (рис. 56; точка М' должна лежать на прямой ОМ, ибо эта прямая при гомологии переходит в себя). В самом деле, если пря. мая AM пересекает ось гомологии о в точке Q, то она перейдет в прямую QM' (а если АХМ || о, то она перейдет в параллельную оси о прямую RM', проходящую через точку М'). Так как, далее, искомая точка А' (или А[ )лежит, кроме того, на прямой OA (соответственно ОА\), то она может быть найдена как точка пересечения прямых OA и QM' (или ОАх и RM'). Это построение не проходит в том случае, если исходная точка В лежит на прямой ОММ', но в таком случае мы можем построить сначала образ Л' = Г(Л) какой-либо другой точки А и затем построить образ В'— Г (В) точки В, исходя не из пары точек М, М\ а из пары точек А, А'. Разумеется, следовало бы еще показать, что наше построение приводит к одному и тому же образу В' точки В независимо от выбора точки А и что определенное изображенным на рис. 56 построением преобразование Г в самом деле обладает всеми теми свойствами, выполнения которых мы требовали от гомологии (в частности, что Г переводит прямые в прямые); мы, однако, примем это на веру, предоставив читателю самостоятельно провести соответствующие доказательства.

Заметим, что если = щр (и только в этом случае), то треугольники МОА и MM'Q будут подобны и прямая QM' || OA не пересечет OA (рис. 57). Таким образом, точке А, принадлежащей прямой q, гомотетичной о с центром гомотетии M и коэффициентом гомотетии не отвечает никакая точка плоскости! Иначе говоря,

Рис. 56.

за область определения гомологии Г следует принять плоскость с исключенной прямой q. Прямые, пересекающиеся в некоторой точке Л, лежащей на прямой q, переводятся гомологией в непересекающиеся (параллельные!) прямые; при этом совокупность всех проходящих через точку А прямых переходит в пучок (совокупность) параллельных между собой прямых (см. рис. 57).

С другой стороны, если точка В такова, что д]'^ ~ м'М 1 где R— точка пересечения MB' с о, то OB'\\RM и, следовательно, не существует точки В, переходящей в точку В'. Отсюда вытекает, что область значений гомологии Г представляет собой плоскость с исключенным из нее геометрическим местом всех таких точек В\ т. е. плоскость с исключенной прямой qv гомотетичной о с центром гомотетии М' и коэффициентом гомотетии дрд| •

Таким образом, гомология не является преобразованием плоскости, поскольку ее область определения и область значений не совпадают (в этом и заключается та нестрогость в определении гомологии, о которой мы упомянули вначале).

7.2. Проективная плоскость. Затруднения, связанные с тем, что гомология не является преобразованием, могут быть устранены, если считать, что каждую точку А прямой q гомология Г переводит в некоторую «идеальную» или «несобственную» точку А'\ при этом придется считать, что параллельные между собой прямые, в которые переходят прямые, пересекающиеся в точке Л, «сходятся» в этой фиктивной точке А' (точку А' часто называют также «бесконечно удаленной» точкой1)). При этом естественно условиться, что все «несобственные» или «бесконечно удаленные» точки плоскости принадлежат одной «несобственной» или «бесконечно удаленной» прямой q', в которую переходит при гомологии прямая q. К этим «несобственным» точкам плоскости надо добавить еще одну «несобственную» точку Z, в которой «сходятся» параллельные между собой

Рис. 57

1) Это связано с тем, что, как легко видеть, при стремлении переменной точки А к прямой q образ Г (А) этой точки неограниченно удаляется.

прямые о и q (а также и все параллельные им прямые); при этом естественно считать, что T(Z)=Z.

Плоскость, дополненная фиктивной «бесконечно удаленной» прямой q , состоящей из всех добавленных к плоскости «несобственных» точек, называется проективной плоскостью1). Заметим, что каждой точке проективной плоскости отвечает пучок сходящихся в ней прямых, пересекающихся в этой точке, если точка «собственная», и параллельных между собой, если эта точка «несобственная» (рис. 58). Отметим еще, что на проективной плоскости любые две различные прямые имеют ровно одну точку пересечения (собственную или несобственную).

После такого расширения плоскости введением «несобственных» точек гомология становится преобразованием, областью действия которого является проективная плоскость. Точки прямой q переходят при гомологии Г в «бесконечно удаленные» точки (т. е. T(q) = q')\ аналогично каждая «бесконечно удаленная» точка В' (задаваемая, скажем, пучком параллельных прямых) переходит в некоторую точку В прямой ql (т. е. T(q') = ql). Разумеется, и произведение гомологии, взятых в любом числе, и преобразование, обратное гомологии, являются преобразованиями проективной плоскости. (Преобразование Г“1, обратное гомологии Г, с центром О и осью о, переводящей точку M в точку М' = Г(Л4), является, очевидно, гомологией с теми же центром О и осью о, переводящей точку М' в точку М=Г-г(М'); см. рис. 56.)

Можно также рассматривать гомологии, отвечающие случаям, когда ось гомологии или центр гомологии (или и то и другое вместе) являются «бесконечно удаленными». Нетрудно, например, убедиться, что гомология с несобственной осью о и обыкновенным («собственным»)

Рис. 58.

1) Это название связано с тем, что такое же расширение плоскости введением (несуществующих!) «бесконечно удаленных» точек и прямой естественно возникает в задачах, связанных с центральным проектированием плоскости я на другую плоскость я' из некоторого центра О. Здесь также на плоскости я найдется прямая q, точки которой не проектируются ни в какие точки плоскости я',—это будет линия пересечения плоскости я с параллельной я' плоскостью, проходящей через центр проектирования О. С другой стороны, на плоскости я' найдется такая прямая ql% в точки которой не проектируются никакие точки плоскости я, — линия пересечения плоскости я' с параллельной я плоскостью, проходящей через О.

центром О представляет собой гомотетию с центром О и коэффициентентом (рис. 59, а; впрочем, эта гомология несущественно отличается от гомотетии несколько «большей» областью действия). Далее, гомология с несобственной осью и несобственным центром представляет собой параллельный перенос в направлении прямой, идущей в центр гомологии, на отрезок ММ' (т. е. перенос на вектор ММ'; рис. 59, б). Сжатие к прямой о также есть частный вид гомологии (центр О является несобственной точкой, соответствующей пучку прямых, перпендикулярных оси о; рис. 59, в).

7.3. Применения гомологии к решению задач. То обстоятельство, что гомология переводит пересекающиеся прямые в параллельные, может быть использовано для решения многих геометрических задач на доказательство и построение. В качестве примера докажем следующую теорему: пусть даны две прямые /, и 12 и точка Q вне их; через Q проводятся всевозможные пары прямых а, Ь, пересекающих /1 и /2 в точках Av А2, соответственно В^, В2 и точки Ал, В2 и А2, Вх соединяются между собой (рис. 60, а); геометрическое место точек Р пересечения прямых АХВ2 и А2ВХ представляет собой прямую р, проходящую через точку О пересечения 1Х и 12 (параллельную /, и /2, если /1 и 12 параллельны). Для доказательства произведем гомологию Г, у которой ось, центр и пару точек M и М' = Г (М) подберем так, чтобы роль прямой q рис. 57 играла прямая OQ (нетрудно убедиться, что так выбрать гомологию

Рис. 59.

всегда возможно). При этом рис. 60, а перейдет в рис. 60, б, на котором все четырехугольники AxBlBtAt являются параллелограммами и геометрическим местом центров Р' этих параллелограммов является средняя линия р' — полосы, образованной прямыми /' и 1'г% А так как гомология переводит прямые в прямые и параллельные прямые (прямые, пересекающиеся в «несобственной» точке) — в прямые, пересекающиеся в одной точке, то гомология Г“1 (см. стр. 113) переводит параллельные прямые 1и 1г и р' в прямые lv /2 и ру пересекающиеся в одной точке О.

Вот еще один пример: докажем, что если произвольный четырехугольник ABCD разбит прямой MN, пересекающей его стороны AB и CD на два четырехугольника AMND и В M NC, то точки Р, Q, R пересечения диагоналей трех

Рис. 60.

четырехугольников AMND, В M NC и ABCD лежат на одной прямой (рис. 61 ,а)1). Элементарное доказательство этой интересной теоремы очень сложно, однако если использовать преобразование гомологии, то ее доказать легко. Преобразуем рис. 61,а при помощи гомологии Г, выбранной так, чтобы прямая PQ играла роль прямой q рис 57 (отметим, что мы пока не знаем, принадлежит ли точка R той же прямой). При этом мы придем к (совсем новому!) рис. 61,ö, где A'N'\\D'M' (ибо точка Р пересечения AN и DM переходит в «бесконечно удаленную» точку) и B'N'\\C' М'' (ибо переходит в «бесконечно удаленную» точка Q рис. 61,а). А теперь из подобия треугольников О A'N' и OM'D\ ОС'М' и ON'B' (где О—точка пересечения

Рис. 61

1) Если прямые AD, ВС н MN проходят через одну точку, то наше утверждение вытекает, очевидно, из доказанной только что теоремы; в этом частном случае прямая PRQ проходит через точку пересечения прямых AB и CD.

прямых А'В' и CD'1)) имеем

Перемножая эти два равенства, получаем

откуда вытекает, что А'С \\ B'D'. Следовательно, точка R пересечения прямых АС и BD рис. 61,а переходит в «бесконечно удаленную» точку рис. 61,6 и, значит принадлежит «прямой g» нашей гомологии — прямой PQ'

7.4. Проективные преобразования и проективная геометрия. Гомология представляет собой частный случай проективного преобразования— так называют преобразования проективной плоскости, обладающие тем свойством, что каждую прямую (к числу которых причисляется и несобственная прямая) они переводят снова в прямую2). Таким образом, определение проективных преобразований отличается от определения аффинных преобразований лишь тем, что их областью действия является не обычная (евклидова), а проективная плоскость3). Ясно, что совокупность всех проективных преобразований (проективной!) плоскости составляет группу — доказательство этого фактически не отличается от указанного на стр. 103 доказательства того, что образуют группу аффинные преобразования. Ветвь геометрии, изучающая свойства фигур, сохраняющиеся при проективных преобразованиях, называется проективной геометрией. Примерами теорем проективной геометрии могут служить теоремы, доказанные нами с помощью гомологии — нетрудно понять, что утверждения этих теорем сохраняют свое содержание, если подвергнуть чертеж теоремы произвольному проективному преобразованию. На этом обстоятельстве и базировалось выше применение гомологии к доказательству теорем. Преобразовав чертеж теоремы при помощи подходящим образом подобранной гомологии, мы существенно упростим его, сведя тем самым рассматриваемую теорему к более простому частному случаю того же утверждения, причем нам, оказывается, достаточно доказать утверждение лишь в этом частном случае.

7.5. Координаты в проективной плоскости. Поскольку проективная плоскость является совсем иным геометрическим образом, чем обычная (евклидова) плоскость, то для проективной плоскости оказывается непри-

1) Предоставляем читателю самому разобрать случай, когда A'B'\\C'D' (рис. 61,в).

2) Можно доказать, что всякое проективное преобразование плоскости можно осуществить с помощью подходящим образом подобранной гомологии, сопровождаемой некоторым преобразованием подобия (ср со сказанным на стр 93 об аффинных преобразованиях)

3) По поводу понятия проективной плоскости можно повторить почти все, сказанное выше (стр. 58—59) о понятии круговой плоскости

менимым обычный способ введения координат. Однако систему координат, годную в случае проективной плоскости, оказывается возможным получить с помощью небольшого видоизменения обычной конструкции: достаточно заменить декартовы координаты *, у однородными координатами х„ jt2, х0, связанными с хиу соотношениями

(18)

При этом, умножив все три координаты хи х2, х0 на одно и то же число Qt£0, мы получим координаты той же самой точки (ибо декартовы координаты X и у при этом не изменятся); таким образом, однородные координаты определяются, как говорят, «с точностью до произвольного множителя q», Если хл не равно нулю, то тройка координат (xlt х2, х0) отвечает (обыкновенной) точке А плоскости, декартовы координаты которой определяются по формулам (18). Если же *0=0, то формулы (18) теряют смысл. В случае, когда по крайней мере одно из чисел ж,, х2 отлично от нуля, считают, что координаты (х1% дс2, 0) отвечают «бесконечно удаленной» точке А' проективной плоскости (по формулам (18) этой точке приписываются «бесконечно большие» декартовы координаты хиу, но определенное отношение — =—£-, задающее угловой коэффициент «проходящих» через эту точку Л'прямых). Наконец, координатам хх =*2 = *вв=0 не отвечает никакая точка проективной плоскости, т. е. такие значения координат не допускаются (ибо нельзя говорить и об «угловом коэффициенте» — = —— , отвечающем точке (0, 0, 0))

Введение однородных координат позволяет записать любое отображение, область определения и область значений которого содержатся в проективной плоскости, уравнениями вида

(19)

(точнее бы было говорить об уравнениях

(19а)

где Qt^O —произвольное число; при этом функции <p(xlt хг, дг0), ty(xx, x2l х0), *2> *о) должны быть таковы, что при замене х„ х2, х0 на ахи ох2, ох0, где от^О, значения этих функций должны умножаться на некоторое число т^0, зависящее от о, но одинаковое для всех трех функций).

Особую роль среди всех отображений (19) (или (19а)) играют линейные отображения проективной плоскости

(20)

в том случае, когда эти отображения взаимно однозначны (т. е. когда из формул (20) можно также по д^, *2, х0 определить х1% х2, х0 с точностью до общего множителя), они являются проективными преобразованиями. Доказательство этого почти не отличается от доказательства того, что линейные преобразования обычной плоскости являются аффинными преобразованиями (ср. выше, стр. 76 и след.). Оно использует лишь то обстоятельство, что каждая прямая проективной плоскости в однородных координатах записывается линейным уравнением

Axt+Bxt+Cx0=Ot (21)

так, прямая

(21а)

с угловым коэффициентом & =—-g- в однородных координатах (18) записывается уравнением (21) (ему удовлетворяет также «бесконечно удаленная» точка (*,,*2, 0) = (ß, —Л, 0), через которую «проходит» прямая (21а)), а «бесконечно удаленная» прямая проективной плоскости записывается простым уравнением д:0 = 0. Можно доказать, что и, обратно, каждое проективное преобразование (проективной) плоскости в однородных координатах записывается формулами типа (20).

7.6. Бирациональные преобразования проективной плоскости. Идя дальше по пути, намеченному в конце § 3 можно также определить бирациональные преобразования проективной плоскости; эти преобразования характеризуются тем, что фигурирующие в их аналитической записи (19) функции ср(*1? х2> хЛ), ^(xlt х2, х0), %(хх, х2, х0) суть рациональные функции переменных *2, х0 и что тем же свойством обладают и обратные к ним преобразования (ср. выше, стр. 79). При этом функции ф, 1|) и % можно даже считать целыми рациональными, ибо эти три функции можно одновременно умножить на любое выражение и таким путем избавиться от знаменателей дробей. Последнее обстоятельство позволяет классифицировать бирациональные преобразования проективной плоскости по степеням функций ф, ф, х: самыми простыми бирациональными преобразованиями являются линейные (где функции ф г|), % линейны); затем идут квадратичные преобразования (функции ф ,г|), X второй степени), кубические преобразования (функции <р, X третьей степени) и т. д.1).

О геометрическом смысле линейных (проективных) преобразований мы уже говорили Примером квадратичного преобразования может служить инверсия (7) или гиперболическая инверсия (8) В однородных координатах можно эти два последних преобразования записать так:

(22)

1) Степени функций ф, г|), % не могут быть различными, так как необходимо, чтобы при умножении координат л^, х2, х;) на любой множитель а все функции умножались на один и тот же множитель i(=i( а)).

соответственно

(23)

(ср. эти формулы с (7) и (8)) стр. 73)1). Эти примеры являются достаточно характерными: можно показать, что каждое квадратичное преобразование проективной плоскости можно представить в виде ЛГ, где А есть линейное

Рис. 62.

1) Строго говоря, ни инверсия, ни гиперболическая инверсия не являются преобразованиями проективной плоскости: инверсия (22)

преобразование (сводящееся, как мы знаем, к гомологии1)), a Е—симметрия относительно окружности (инверсия), или симметрия относительно пары параллельных прямых (гиперболическая инверсия), или же симметрия относительно (равнобочной) гиперболы или параболы. При этом симметрия относительно гиперболы или относительно параболы определяется в точности так же, как и симметрия относительно окружности: каждую внешнюю по отношению к соответствующей кривой К точку А она переводит в точку А' пересечения проходящего через А диаметра кривой К (т. е. прямой, соединяющей точку А с центром О гиперболы или параллельную оси параболы2)) с прямой, соединяющей точки Р и Q прикосновения с кривой К проведенных к /С из точки А касательных, а точку А' переводит в А; точки кривой К при симметрии относительно К остаются на месте (ср. рис. 62,а,б с рис. 9 на стр. 56). Геометрическое описание всех кубических преобразований плоскости (а тем более произвольных бирациональных преобразований), аналогичное этому описанию квадратичных преобразований, до сих пор неизвестно.

§ 8. Неточечные отображения

8.1. Примеры неточечных преобразований. К понятию точечного отображения мы пришли, считая, что аргумент х и значение у функции y=f(x) являются не числами, как это чаще всего приходится считать, а точками. Столь же законно, однако, считать, что в обозначении функции у= f(x) под X и у понимаются не точки, а иные геометрические объекты, возможно даже объекты разной природы. На этом пути мы приходим к более общему понятию (не обязательно точечного!) геометрического преобразования, например преобразования а'=Ф(а) в множестве прямых линий, переводящего каждую прямую а в новую (или ту же самую) прямую а', или преобразования 2' =Ф(2) в множестве окружностей, переводящего окружность 2 в окружность 2'; можно также рассматривать, скажем, отображения, переводящие окружности в точки (например, 0 = Ф(5), где о есть центр окружности S), точки в прямые (ср. ниже стр. 128)

переводит все точки «бесконечно удаленной» прямой х0 = 0 в центр инверсии 0(0, 0, 1), а гиперболическая инверсия (23) переводит все точки «бесконечно удаленной» прямой *0 = 0 в одну «бесконечно удаленную» точку i4j (1, 0, 0) (отвечающую направлению оси инверсии о), а все точки оси о инверсии, имеющей уравнение х2 = 0 — в другую «бесконечно удаленную» точку А2 (0, 1, 0) (отвечающую перпендикулярному о направлению) [Мы отмечали выше, что желание рассматривать инверсию или гиперболическую инверсию как преобразования плоскости приводит к необходимости совсем иного пополнения плоскости «идеальными» элементами, отличного от того, с которым связано понятие проективной плоскости.] Можно доказать, что единственными бирациональными преобразованиями, областью действия которых служит вся проективная плоскость, являются линейные преобразования (20). Аналогично этому единственными преобразованиями (114), областью действия которых служит круговая плоскость, задаваемыми рациональными функциями F (?) комплексного переменного z (см. выше, стр. 78), являются дробно-линейные преобразования (16).

1) См сноску2) на стр.117.

2) См. статью о конических сечениях в следующей книге ЭЭМ.

или окружности в треугольники. Приведем здесь несколько примеров таких неточечных преобразований и отображений.

1°. Ясно, что каждое аффинное преобразование плоскости, переводящее прямую линию снова в прямую, можно рассматривать как преобразование в множестве прямых. Так, сжатие к точке О (гомотетию) с коэффициентом k можно рассматривать как преобразование а'—Ф(а), переводящее каждую прямую а в прямую а' того же направления, расстояние которой от центра О преобразования равно é-кратному расстоянию прямой а от точки О (рис. 63; при этом проходящие через О прямые переходят в себя). Сжатие к прямой о с коэффициентом k можно рассматривать как преобразование а'=Ф(а), переводящее параллельную о прямую ах в прямую а[ того же направления, расстояние которой от о равно ^-кратному расстоянию прямой а1 от о (при этом прямая о переходит в себя), а прямую а2, пересекающую о,— в прямую а'г, пересекающую о в той же точке, что и аг и образующую с о угол, тангенс которого в k раз больше (т. е. &-кратен) тангенса угла, образованного прямыми аг и о (рис. 64). При этом, если раньше мы характеризовали аффинные преобразования как такие (точечные!) преобразования, которые переводят прямую линию (рассматриваемую как прямолинейный ряд точек; рис. 65,а) снова в прямую, то теперь мы можем описать их как такие преобразования в множестве прямых линий плоскости, которые переводят каждую точку (под которой мы теперь понимаем пучок пересекающихся в одной точке прямых; рис. 65,5) снова в точку (другими словами, пучок переводят в пучок).

2°. Также и гомологию Г (см. выше стр. 110) можно описать как преобразование в множестве прямых линий плоскости. А именно гомологию с осью о и центром 0, переводящую некоторую прямую m в прямую т\ пересекающую ось о в той же точке, что и

Рис. 63.

Рис. 6 .

m, можно определить как преобразование, которое переводит произвольную прямую а плоскости в прямую а', пересекающую ось о в той же точке, что и а (параллельную о, если а \\ о) и проходящую через точку А' пересечения прямой m' с прямой СМ, где А есть точка пересечения прямых а я m (рис. 66; если прямая b пересекает ось о в той же точке, что и т, то для построения прямой Ь'= Г (Ь) мы заменим m и т' парой прямых а и а', построенных по описанному правилу и пересекающих ось о в иной точке). При этом гомология Г является преобразованием множества всех прямых проективной плоскости; изображенную на рис.66 прямую # она переводит в несобственную прямую. Преобразование Г обладает тем свойством, что пучок прямых, пересекающихся в одной (собственной или несобственной) точке, оно переводит снова в пучок прямых, пересекающихся в одной (собственной или несобственной) точке.

Рис. 65.

Рис. 66.

8.2. Неточечные преобразования в геометрии окружностей. Аналогично сказанному относительно аффинных преобразований каждое круговое преобразование плоскости можно рассматривать как преобразование в множестве окружностей и прямых линий, переводящее каждую окружность или прямую (которую можно также считать «окружностью бесконечно большого радиуса») снова в окружность или прямую Так из формул (9) и (9') § 3 (стр. 74) следует, что инверсию с центром в начале О (декартовых прямоугольных) координат и степенью 1 можно описать как преобразование в множестве окружностей и прямых плоскости, переводящее:

а) прямую ax-{-by = 0, проходящую через начало координат О, в себя;

б) прямую 2ах + 2Ьу = 1, не проходящую через О, в окружность (х2 + у2)— 2ах— 2by — Q, проходящую через О (центр Q(a, b) этой окружности принадлежит перпендикуляру ОР, опущенному из точки О на прямую, причем 0Q = ; радиус окружности равен (3°(=2^ö));

в) окружность (х2 + у2)— 2ах—2Ьу = 0, проходящую через О, в прямую 2ах + 2by~ 1, не проходящую через О (перпендикуляр ОР, опущенный из О на эту прямую, принадлежит прямой 0Q, где Q (а, 6) — центр окружности; при этом ^ = 2^q) ;

г) окружность (я2-)-*/2) — 2ах—2by-f-c = 0, не проходящую через О, в окружность я2-}-у2—2-2.*—2 — ц + — = 0, также не проходящую через О (центры Q (а, Ь) и Q'^~r> этих окружностей 2 и 2 лежат на одной прямой с точкой О, причем отношение радиусов г= У а2 + Ь2—с и г — у - \ —— окружностей равно отношению длин отрезков OQ и OQ', откуда следует, что О является центром гомотетии окружностей 2 и 2', а степени с и —точки О относительно окружностей 2 и 21) взаимно обратны). Ясно, что круговые преобразования можно охарактеризовать и как преобразования в множестве точек плоскости, переводящие каждую окружность (к числу которых здесь причисляются и «окружности бесконечно большого радиуса» — прямые), понимаемую как совокупность точек (рис 67, а), снова в окружность, и, с другой стороны, как преобразования в множестве окружностей (и прямых), переводящие совокупность окружностей, пересекающихся в одной точке (рис. 67, б), снова в такую же совокупность окружностей. При этом, разумеется, мы должны рассматривать круговые преобразования как точечные преобразования, действующие в «расширенной» (круговой) плоскости.

До сих пор мы рассматривали лишь такие неточечные преобразования, которые можно трактовать также и как точечные. Однако можно определить и такие преобразования в множестве прямых линий или в множестве окружностей на плоскости, которые не переводят совокупность пересекающихся в одной точке прямых (пучок прямых) или совокупность пересекающихся в одной точке окружностей снова в такую же совокупность прямых или окружностей и которые поэтому никак нельзя рассматривать как преобразования в множестве точек. Содержательные примеры преобразований такого рода доставляет теория окружностей2). В этой

1) См. § 2 статьи «Окружности», стр. 454—461.

2) См. статью «Окружности».

теории изучаются так называемые осевые круговые преобразования, т. е. преобразования в множестве прямых линий плоскости, переводящие совокупность касательных одной окружности 2 снова в совокупность касательных одной (вообще говоря, отличной от 2!) окружности 2'. Совокупность пересекающихся в одной точке прямых эти преобразования, как правило, переводят в совокупность касательных некоторой окружности (таким образом, эти преобразования «точку переводят в окружность»). Рассматриваются теорией окружностей и касательные круговые преобразования, переводящие окружность в окружность и сохраняющие касание окружностей. Совокупность окружностей, проходящих через одну точку, и совокупность окружностей, касающихся одной прямой, они могут переводить в совокупность окружностей, касающихся одной окружности (таким образом, касательные круговые преобразования «точку переводят в окружность» и «прямую переводят в окружность»).

Простейшим примером осевого кругового преобразования является так называемое расширение. Как преобразование в множестве прямых, расширение Р на величину d определяется следующим образом: каждую прямую а расширение Р переводит в прямую а\ параллельную а и удаленную от а на расстояние d. Так как это определение не указывает, в какую именно из двух прямых, параллельных а и удаленных ст а на расстояние dt переходит а, то здесь нужны еще некоторые дополнительные соглашения. Именно оказывается необходимым считать, что каждая прямая плоскости является направленной, т.е. что с обыкновенной прямой а совпадают по положению две прямые ах и а2, отличающиеся

Рис. 67.

одна от другой направлением (направление на рисунках обычно обозначается стрелкой). Прямые а, и а2 расширение Р переводит в разные прямые ûj и а2, сдвигая каждую прямую на расстояние d вправо (если смотреть в направлении, указанном на преобразуемой прямой; см. рис. 68). Таким образом, расширение Р приходится рассматривать не как преобразование в множестве обыкновенных прямых плоскости, а как преобразование в множестве направленных прямых (осей). Аналогично обстоит дело и при рассмотрении более общих осевых круговых преобразований, с чем и связано прилагательное «осевые» в названии этих преобразований.

Нетрудно понять, что пучок прямых расширение Р переводит в совокупность касательных окружности 2 с центром в центре пучка и радиусом d (рис. 69, а)\ этой окружности естественно приписать определенное направление, согласованное с направлением всех ее касательных (на рисунках направление окружности также указывается поставленной на окружности стрелкой). Таким образом, естественно считать, что расширение но величину d переводит точки в окружности радиуса d. Направленную окружность 2 на плоскости (задаваемую совокупностью своих направленных касательных) расширение Р переводит в концентрическую с 2 окружность 2', радиус которой равен r-f-d, или г—d, или d—г (рис. 69, б—г). Оказывается очень удобным считать, что радиус окружности может быть и положительным и отрицательным, причем первое означает, что окружность направлена против часовой стрелки, а второе — что она направлена по часовой стрелке; при этом направленная окружность полностью определится указанием своего центра и (положительного или отрицательного!) радиуса. При таком соглашении расширение переводит окружность радиуса г в окружность радиуса r-fd (см. рис. 69, б—г\ отрицательный радиус имеют окружности 2 и 2' на рис. 69, в и окружность 2 на рис 69, г). Таким образом, расширение Р можно описать как преобразование в множестве направленных прямых плоскости, сдвигающее каждую прямую вправо на расстояние d. При этом множество всех прямых, касающихся одной направленной окружности 2 (роль которой может играть и «окружность нулевого радиуса», так что мы имеем пучок сходящихся в одной точке прямых), переходит в множество прямых, касающихся одной окружности 2\ т. е. окружность переходит в окружность. Но можно также описать расширение и как преобразование в множестве направленных окружностей, переводящее окружность (положительного, нулевого или отрицательного!) радиуса г в концентрическую с исходной окружность радиуса r + d. Это преобразование переводит совокупность всех окружностей, касающихся одной направленной прямой /, в совокупность окружностей, касающихся другой прямой /', т. е. прямую оно переводит в прямую. Однако, как точечное преобразование рассматривать расширение невозможно!

Неточечные преобразования плоскости также довольно часто могут оказаться полезными для решения конкретных геометрических задач на построение и на доказательство В качестве первого примера рассмотрим здесь известную задачу о построении общих касательных к двум окруж-

Рис. 68.

ностям 2, и 2, радиусов г, и г2, где г, ^ г2. Применим к чертежу этой задачи (рис. 70) расширение на величину г2; при этом окружность 22 мы будем считать направленной по часовой стрелке (имеющей отрицательный радиус —г2), так что расширение Р переводит 22 в точку — центр 22 этой окружности (именно в этом и заключается смысл применения расширения!) Окружность 2, перейдет в окружность 2Г концентрическую с Е,; при этом в зависимости от того, считаем ли мы 2, направленной также по часовой стрелке или против часовой стрелки, окружность 2, будет иметь радиус rl — r2 (рис. 70, а), илл г,-|-г2 (рис. 70, б). Общие касательные окружностей 2! и 22 перейдут в касательные окружности 2lt проходящие через точку 2^; их нетрудно построить (построение прямой, касательной к данной окружности и проходящей через заданную точку, мы

Рис. 69.

считаем известным). Искомая же касательная / окружностей 2, и 22 найдется как прямая, которую расширение Р переводит в проходящую через 22 касательную /' окружности 2^, она параллельна /' и удалена от Г на расстояние г2 (причем /' расположена справа от направленной прямой /).

8.3. Полярное отображение. Принцип двойственности в проективной геометрии. Важным и интересным примером отображения, переводящего точка в прямые линии, а прямые— в точки, является так называемое полярное отображение П с центром О. Это отображение каждую точку А плоскости переводит в прямую а, перпендикулярную OA и проходящую через точку А'у в которую точка А переводится инверсией с центром О и степенью 1 ^т. е. через такую точку Л' луча OA, что обратно, прямую а отображение П переводит в точку А (рис. 71, а).

Рис. 70

Ясно, что областью действия полярного отображения является множество всех точек и прямых плоскости. Для наиболее полного рассмотрения полярного отображения целесообразно считать, что точки и прямые рассматриваются не на обычной (евклидовой), а на проективной плоскости. При этом нужно дополнить определение полярного отображения соглашением, что центру О соответствует «бесконечно удаленная» (несобственная) прямая проективной плоскости, а несобственной точке Л, определяемой проходящей через нее прямой /, соответствует проходящая через О прямая, перпендикулярная /. (В противном случае нам пришлось бы исключать из рассмотрения точку О и проходящие через нее прямые, что также может служить вариантом рассмотрения полярного отображения, но менее удобным, чем использование несобственных элементов проективной плоскости.)

Ряд замечательных свойств полярного отображения П мы укажем ниже; здесь же отметим лишь следующее его свойство, бесспорно важнейшее из всех: если П{А) = а и В —точка прямой ал то прямая Ь=П(В) проходит через точку А. Действительно, обозначив через В' точку пересечения прямой OB с прямой Ь = 11(В), мы найдем ОВ-ОВ' = ОА-ОА' (= 1) или

Из этого следует, что треугольники OA'В и OB'А подобны; в частности, ^/ OB' А = ^/Оу4,/?=90о, и потому точка А лежит на перпендикулярной

Рис. 71.

к OB прямой b. Предоставляем читателю проверить, как видоизменится рис. 71, а, если точка А (или В) совпадает с О или является несобственной.

Это свойство полярного отображения означает, что прямую а, рассматриваемую как ряд точек, отображение П переводит в точку А, понимаемую как пучок прямых; обратно, любой пучок прямых отображение П переводит в прямолинейный ряд точек (рис. 71,б).

Важнейшим следствием наличия полярного отображения проективной плоскости является так называемый принцип двойственности проективной геометрии1). Этот принцип утверждает, что в формулировке любой теоремы проективной геометрии на плоскости можно заменить всюду слово «точка» словом «прямая» и, наоборот; выражение «лежит на» выражением «проходит через», и наоборот; новая теорема также будет справедлива, если только была справедлива первоначальная теорема. В самом деле, пусть мы имеем некоторую теорему проективной геометрии, относящуюся к расположению точек и прямых. Полярное отображение переводит выражающий эту теорему чертеж в новый чертеж, в котором роль точек уже будут играть прямые, а роль прямых точки; при этом точкам, принадлежащим одной определенной прямой /, будут отвечать прямые, пересекающиеся в точке L, отвечающей прямой /. Этот новый чертеж будет выражать иную теорему, которую можно назвать «двойственной» первоначальной теореме. Ниже мы поясним эту общую схему конкретным примером.

Пример применения полярного отображения доставляет нам так называемая

Теорема Дезарга. Если прямые ААХ, ВВХ и ССХ, соединяющие соответствующие вершины двух треугольников ABC и AXBXCV пересекаются в одной точке О, то точки К, L и M пересечения соответствующих сторон этих треугольников лежат на одной прямой (рис. 72, а). Для доказательства произведем полярное отображение П с центром в точке О. При этом точки А и Ах перейдут в прямые а и аг, перпендикулярные прямой ОААх и, следовательно, параллельные между собой; точки В и Вх, С и Сх также перейдут в прямые b и Ьх || с и с, || с. Таким образом, треугольники ABC и АХВ1С1 перейдут в новые треугольники с соответственно параллельными сторонами, образованные прямыми а, Ь, с и av cv Вершины этих новых треугольников мы обозначим через А', В', С и Au Bu С[- Так как П (А) = а, П (В) = Ь, то прямая AB переходит при полярном отображении в точку пересечения прямых а и Ь, т.е. П(АВ) = С'. Аналогично П(А1В1) = С1. Следовательно, точка К пересечения прямых AB и АХВХ переходит в прямую

1) См. учебники проективной геометрии, указанные в сноске 2) на стр. 110.

Рис. 72.

CCI, т. е. П(К) = С'С\. Аналогично ЩЦ = А'А'и П(Л4) Поэтому для доказательства 'того, что точки К, L, M лежат на одной прямой, достаточно установить, что прямые A'Ai, B'Bl, С'С\ пересекаются в одной точке. Но из параллельности прямых а и а1% Ь и bv с и сх вытекает, что либо треугольники А'В'С и А\В\СХ равны и получаются друг из друга параллельным переносом (рис. 72,6), и тогда прямые А'А\, В Вх, C'd параллельны между собой, т. е. пересекаются в одной несобственной точке, либо треугольники А'В'С' и А'\В\Сг гомотетичны, и тогда прямые А'Аи В' В\, СС\ также пересекаются в одной точке—центре гомотетии (рис. 72, в). Следовательно, в любом случае точки К, L, M лежат на одной прямой. Заметим, что одна из точек /С, L, M или даже вся прямая KLM может оказаться несобственной (рис. 72, г, д).

Теорема Дезарга является типичной теоремой проективной геометрии; следовательно, к ней применим принцип двойственности. Эта теорема утверждает, что если два треугольника ABC и АХВХСХ таковы, что прямые AAV ВВХ и СС, пересекаются в одной точке О, то точки пересечения соответствующих сторон а и а, Ь и bv с и с, двух треугольников лежат на одной прямой (рис. 73, а). Заменим теперь в формулировке этой теоремы слово «точка» словом «прямая» и наоборот, в соответствии с принципом двойственности. Мы получим следующее утверждение: если два «трехсторонника» abc и ахЬхсх таковы, что точки а-ах (точка пересечения прямых а и ах), b-bx и с-сх принадлежат одной прямой о, то прямые, соединяющие соответствующие вершины трехсторонников, пересекаются в одной точке. Рис. 73, б, выражающий эту теорему, не отличается от рис. 73, а, выражающего теорему Дезарга, но само содержание теоремы изменилось — условие ее заменилось заключением, и наоборот. Таким образом, мы пришли к теореме, обратной первоначально сформулированной нами

Рис. 73.

теореме Дезарга (эта обратная теорема также обычно связывается с именем Дезарга). При этом полученную таким образом теорему нам уже не надо доказывать: справедливость ее следует из (прямой) теоремы Дезарга и принципа двойственности. Разумеется, имеющее место в нашем случае совпадение теоремы, «двойственной» исходной теореме, и теоремы, обратной ей, является случайным.

Наконец, приведем еше один пример применения полярного отображения к доказательству геометрической теоремы. Пусть касательная I к вписанной окружности о треугольника ABC пересекает стороны треугольника в точках M, N и Р; прямые 0МЛ _]_0М9 0Nx±_0N и 0PxJ_0P (где О—центр окружности о) пересекают те же стороны, в точках М„ Nx и Р.; докажем, что точки M,, Nx и Рх тоже лежат на одной касательной 1г к окружности а (рис. 74) Будем считать, что радиус окружности о равен 1, и произведем полярное отображение П с центром О. При этом прямые АВ9 ВС, CA и / перейдут в точки С,, АХ9 Вх и Lx их касания с окружностью а; точки M, N и Р перейдут в прямые Lfix ]_0М, LxAx\ON и LXBX J_ CP; точки М„ N, и Рх перейдут в прямые тх ]_ 0МХ9 nxjONx и рх J 0РХ9 проходящие через точки CXt Ах и Вх и, очевидно, параллельные ОМ, CN и 0Р9 т.е. перпендикулярные прямым LXCX, LXÀX и LXBX. Но отсюда

Рис. 74.

следует, что прямые щ% пх и рг пересекают окружность о в одной точке L, диаметрально противоположной точке L,; этой точке отвечает (параллельная /!) прямая /,, которая касается окружности о в точке L и которой и принадлежат точки Mlt Af, и Рг.

8.4. Подерное преобразование. В качестве последнего примера неточечного преобразования плоскости мы рассмотрим так называемое подерное преобразование А, переводящее каждую линию плоскости в другую линию, но не сохраняющее ни точек, ни прямых, ни окружностей. Это преобразование определяется следующим довольно сложным образом. Пусть у — некоторая кривая на плоскости; с каждой точкой А кривой у сопоставим основание А' перпендикуляра, опущенного из фиксированной точки О (центра подерного преобразования А) на касательную а, проведенную к кривой y в точке А1); когда точка А пробегает линию y. соответствующая ей точка А' пробегает новую линию y', которая и считается образом линии Y при преобразовании А (рис 75). Нетрудно понять, что прямая а переводится подерным преобразованием в одну точку А — основание перпендикуляра, опущенного из О на прямую а (рис. 76); точка же А, рассматриваемая как пучок прямых (которые все играют роль «касательных» к точке), переходит в окружность 2, построенную на отрезке OA, как на диаметре (рис. 77). Окружность с центром О подерное преобразование Д переводит в себя; если же центр окружности 2 отличен от точки О, то преобразование А переводит 2 в довольно сложную кривую, называемую улиткой Паскаля (рис. 78, а—в; изображенная на рис. 7G, б «сердцевидная» улитка Паскаля называется кардиоидой). Улитки Паскаля — очень интересные кривые; они могут быть определены (даже несколькими способами) и независимо от подерного преобразования.

Рис. 75.

Рис. 76.

Рис. 77.

1) Касательной к кривой y в ее точке А, как обычно, называется предельное положение секущей AB, к которому стремится секущая, когда точка В кривой у стремится к А (см. статью «Производные, интегралы и ряды», кн. III ЭЭМ, стр. 305).

Подерное преобразование мы определили как преобразование в множестве линий плоскости (к числу которых причисляются и прямые линии и даже точки), переводящее каждую линию у в новую линию у'. Возможен, однако, и другой подход к этому преобразованию, в некоторых отношениях более удобный. Из определения преобразования Л следует, что точка А' преобразованной кривой у', сопоставленная с точкой А кривой у, полностью определяется заданием точки А и касательной а к кривой у в точкг А — никакие другие данные о кривой у для определения точки А' не нужны (А' есть основание перпендикуляра, опущенного из точки О на прямую а). Но, зная точку А и прямую а, можно определить не только точку А\ но и касательную а' к кривой у' в точке А'. В самом деле, пусть В—другая точка кривой у, и b—касательная к у в этой точке; точке В отвечает точка В' кривой у\ которую можно определить как основание перпендикуляра, опущенного из точки О на прямую b (рис. 79). Касательную а! кривой у в точке А' можно определить как предел, к

Рис. 78.

Рис. 79. Рис. 80.

которому стремится секущая А'В', когда точка В' стремится к А' или, что то же самое, когда В стремится к А. Но когда В стремится к Л, точка Q пересечения прямых а и b также стремится к Л; отсюда вытекает, что прямая А'В'— хорда окружности 2„ построенной на отрезке 0Q, как на диаметре, — стремится к прямой а\ касательной в точке А' к окружности 2 (рис. 80), построенной, как на диаметре, на отрезке OA (хорда окружности 2, стремится к касательной окружности 2, ибо когда В стремится к Л, и точка В' стремится к А').

Из доказанного следует, что касающиеся между собой в точке Л кривые подерное преобразование А переводит б кривые, касающиеся между собой в сопоставленной с Л точке Л'(рис 81, а) Другими словами можно сказать, что совокупность точки Л и заданного в ней направления а преобразование А переводит в совокупность точки А' и заданного в ней направления о' Точку с проходящей через нее прямой в геометрии обычно называют линейным элементом. Поэтому можно сказать, что подерное преобразование А есть преобразование в множестве линейных элементов плоскости, переводящее каждый линейный элемент (Л, а) в другой линейный элемент (Л', а'). Кривую у. рассматриваемую как совокупность своих линейных элементов (точек у и касательных к у r этих точках), А переводит в другую кривую, образованную линейными элементами, в которые переходят составляющие у линейные элементы (рис ы, б). Преобразования такого рода называются касательными преобразованиями1); таким образом, А есть касательное преобразование.

8.5. Группы неточечных преобразований. Многое из того, что было сказано выше о точечных отображениях и преобразованиях плоскости, может быть перенесено и на произвольные (не обязательно точечные!) геометрические отображения и преобразования. Так, можно

Рис. 81.

1) См. статью «Окружности» в этой книге ЭЭМ, в частности стр. 510—513.

определить произведение ^РФ двух отображений Ф и ?, представляющее собой результат последовательного осуществления сначала отображения Ф, а затем отображения W (разумеется, область значений отображения Ф должна совпадать с областью определения отображения W). В частности, имеет смысл понятие произведения преобразований, например двух преобразований, определенных в множестве прямых линий, или двух преобразований, определенных в множестве окружностей.

Простой пример произведения двух (неточечных) преобразований доставляет преобразование P2Pi, где Рх есть расширение на величину dl9 а Р2—расширение на величину d2. Ясно, что Р2Р, есть тоже расширение на величину dx-\-d2 ведь Р, переводит (направленную^ прямую / в прямую /,||/ того же, что и / направления, лежащую справа от / и удаленную от / на расстояние dx\ расширение Р2 переводит /, в прямую /'||/, того же направления, лежащую справа от /, и удаленную от /, на расстояние d2\ но ясно, что /' получается из / расширением на величину dx-\-d2 (рис. 82; можно также рассуждать так: Р, переводит произвольную окружность 2 радиуса r и концентрическую с 2 окружность 2Х радиуса r-j-d,, а Р2 переводит 2,в концентрическую с 2j окружность 2' радиуса (r-f-d,)-{--\-d2=r-\-(J, -\-d2), получающуюся из 2 расширением на величину dx-\-d2).

Можно также говорить о произведении А2Д, двух подерных преобразований А, и Д2: если А, переводит линию у в линию ух, а Дг—линию Yi в линию у , то преобразование A2Aj переведет у в у'1).

Имеет также смысл понятие произведения 11,11, двух полярных отображений П, и П2; его областью действия будет множество всех точек и прямых (проективной) плоскости. При этом П2П, будет переводить точки в точки, а прямые — в прямые, т. е. оно как бы «распадается» на два отдельных преобразования, одно из которых будет точечным, а другое— преобразованием в множестве всех прямых проективной плоскости; первое из них (точечное преобразование), как легко видеть, будет проективным преобразованием «Квадрат» ПП = П2 полярного отображения П является тождественным преобразованием, ибо переводит каждую точку и каждую прямую в себя; это означает, что полярное отображение является инволютивным (см. § 5, стр. 97), т. е. обратным самому себе.

Для неточечных отображений и преобразований имеет смысл также понятие отображения (или преобразования) Ф“1, обратного

Рис. 82.

1) Подерные преобразования А, и А2 можно также рассматривать как преобразования в множестве линейных элементов плоскости (см. стр. 136); в таком случае и произведение А2А, двух подерных преобразований придется рассматривать как преобразование в множестве линейных элементов.

данному отображению (преобразованию) Ф. Это отображение определяется следующим образом: если Ф переводит геометрический образ а в геометрический образ а' (а и а' могут являться точками, прямыми, окружностями или иными геометрическими объектами, возможно разной природы), то Ф“1 переводит а' в а. Область действия обратного преобразования Ф“1 совпадает с областью действия преобразования Ф. Так, скажем, обратной для гомотетии с центром О и коэффициентом рассматриваемой как преобразование в множестве прямых плоскости, является гомотетия с тем же центром О и коэффициентом \\k (также рассматриваемая как преобразование в множестве прямых); преобразование Д-1, обратное подерному преобразованию Д с центром О, переводит улитки Паскаля в окружности и т. д.

Понятия произведения двух (неточечных!) преобразований и обратного преобразования позволяют определить группу таких преобразований, т. е. такую совокупность @ преобразований, которая: 1° содержит тождественное преобразование I; 2° наряду с каждым преобразованием Ф содержит и обратное ему преобразование Ф“1; 3° наряду с каждыми двумя преобразованиями Ф и W содержит и их произведение WO. Ясно, например, что образуют группу аффинные преобразования, рассматриваемые как преобразования в множестве прямых линий плоскости, или круговые преобразования, рассматриваемые как преобразования в множестве окружностей.

Более новыми для нас являются группа осевых круговых преобразований или группа касательных круговых преобразований; например, все осевые круговые преобразования образуют группу, так как 1° тождественное преобразование, рассматриваемое как преобразование в множестве направленных прямых плоскости, переводит каждую окружность в себя, т. е. является круговым; 2° если Ф есть преобразование в множестве направленных прямых, переводящее окружности в окружности (круговое преобразование), то и обратное преобразование Ф“1 является круговым (если Ф переводит окружность 2 в окружность 2', то Ф-1 переводит 2' в 2); 3° если преобразования Фи1?, определенные в множестве направленных прямых, переводят окружности в окружности, то и ЧФ переводит окружности в окружности (если Ф переводит окружность 2 в 2,, a Y—окружность 2, в 2', то WO переводит 2 в 2'). Частью группы осевых круговых преобразований является группа расширений, для построения которой надо определить расширение на величину нуль (тождественное преобразование) и расширение на отрицательную величину — d, сдвигающую каждую (направленную) прямую на расстояние d влево и переводящее (направленную) окружность радиуса г в концентрическую с ней окружность радиуса г—d (рис. 83; ср. выше, стр. 126). При этом обратным расширению на (положительную или отрицательную!) величину d будет расширение на величину —d, а произведение расширений на величины d, и d2 всегда будет равно расширению на величину dx + d%.

Понятие группы (неточечных!) преобразований очень важно потому, что оно позволяет говорить о геометриях, основным элементом которых является не точка, а другой геометрический объект —

прямая линия, окружность и т. д. Ясно, что приведенное в § б общее определение геометрии по Клейну сохраняет силу и в том случае, если под «геометрической фигурой» понимать не множество точек, а скажем, множество прямых; в этом случае и «движениями» соответствующей «геометрии» естественно назвать какие-то преобразования в множестве прямых линий плоскости. Однако независимо от того, играют ли роль «движений», совмещающих между собой «равные» фигуры, преобразования в множестве точек или какие-то неточечные преобразования, определенное с помощью этих «движений» «равенство» в том и только в том случае будет удовлетворять условиям рефлексивности, симметричности и транзитивности (см. выше, стр. 102), если совокупность «движений» образует группу. Это условие очерчивает круг «неточечных» геометрий, к числу которых принадлежат линейчатая геометрия (геометрия прямых линий) и круговая геометрия (геометрия окружностей), являющиеся содержательными и хорошо изученными геометрическими дисциплинами. Ясно, что каждая «геометрия» подобного рода задается указанием группы (неточечных!) преобразований, играющих в этой «геометрии» роль «движений».

Так, основными ветвями геометрии окружностей являются в настоящее время «точечная геометрия окружностей», базирующаяся на группе точечных круговых преобразований, «осевая геометрия окружностей», в основе которой лежит группа осевых круговых преобразований, и «контактная геометрия окружностей», задаваемая группой касательных круговых преобразований1). При этом наша новая (более широкая!) точка зрения на геометрию приводит к необходимости несколько уточнить изложенную в предыдущем параграфе концепцию Клейна теперь нам следует считать, что отдельные «геометрии» различаются не только группами преобразований, играющими роль «движений», но и выбором основного элемента «геометрии»: так группа аффинных преобразований может быть положена в основу «точечной аффинной геометрии» и «линейчатой аффинной геометрии»; группа (точечных) круговых преобразований — в основу «точечной аналагматической геометрии» и «круговой аналагматической геометрии» и т. д.

Рис. 83.

1) Этим трем геометриям посвящены три части статьи «Окружности» в этой книге ЭЭМ.

§ 9. Принцип перенесения

9.1. Введение. Вернемся теперь к определению обычной (евклидовой) геометрии по Клейну. Это определение утверждает, что движения (или движения и преобразования подобия) не меняют содержания теорем евклидовой геометрии, т. е. переводят каждый геометрический чертеж в полностью равноправный ему чертеж, из которого можно вывести лишь те же самые заключения, что и из первоначального чертежа.

Последнее обстоятельство связано с тем, что наше преобразование сохраняет неизменными все понятия и величины, имеющие геометрический смысл, — параллельные (или перпендикулярные) прямые оно переводит в параллельные (перпендикулярные) прямые, равные отрезки — в равные отрезки, сохраняет величину угла между двумя прямыми или отношения площадей двух фигур и т. д. Любое же отличное от подобия преобразование я уже не будет обладать этим свойством—оно исказит смысл геометрических понятий и, следовательно, преобразует исходную геометрическую теорему в какое-то совершенно новое предложение.

Это утверждение в старину часто формулировали, говоря, что каждому (отличному от подобия!) преобразованию я отвечает свой принцип перенесения, позволяющий преобразовывать геометрические теоремы в новые; мы здесь также воспользуемся удобным и выразительным термином: «принцип перенесения». Этот термин имеет следующий смысл. Преобразование я не сохраняет геометрических понятий, т. е. оно преобразует геометрические образы в новые, с точки зрения евклидовой геометрии отличные от исходных. Мы можем указать, как именно преобразует геометрические объекты заданное преобразование я; другими словами, мы можем составить отвечающий рассматриваемому преобразованию «словарь», содержащий «перевод» всех геометрических понятий, так сказать, на новый «язык», другими словами,— таблицу, указывающую, во что именно переводит преобразование я те или иные геометрические объекты. Этот «словарь» позволяет преобразовывать («переводить на новый язык») все геометрические теоремы: в самом деле, из любого предложения, сформулированного в терминах обыкновенной евклидовой геометрии, мы сможем получить новое предложение, заменив все входящие в исходную теорему геометрические понятия образами, в которые переводит их преобразование я. Для того чтобы пояснить это последнее утверждение, мы проиллюстрируем его на ряде достаточно разнообразных примеров; попутно мы увидим, каким богатейшим источником новых геометрических фактов и теорем могут служить геометрические преобразования.

9.2. Принцип перенесения, отвечающий сжатию к прямой. Простейшим из известных нам геометрических преобразований, отличных от преобразований подобия, является сжатие к прямой; обозначим его, скажем, 2 (§ 1, стр. 55). Это преобразование переводит точку в точку и прямую в прямую; однако окружность Q оно переводит не в окружность, а в эллипс Е, одна ось которого параллельна оси сжатия о, а вторая — перпендикулярна ей, и отношение осей которого равно коэффициенту сжатия k (рис. 84)1). Все такие эллипсы Е гомотетичны фиксированному эллипсу Е0 с полуосями длины 1 и отвечающему «единичной окружности» (окружности радиуса 1) Q0, или получаются из Е0 параллельным переносом. Из того, что сжатие 2 сохраняет отношение отрезков одной прямой (см. стр. 62), следует, что отрезок AB длин.о] d это преобразование переводит в отрезок А'В' длины d-0'К', где О'К' — параллельный А'В' полудиаметр эллипса Е0. Параллельные прямые преобразование 2 переводит в параллельные (см. стр. 62); перпендикулярные же прямые 2 переводит в сопряженные относительно Е прямые / и m, т. е. такие, что диаметр эллипса Е, параллельный прямой /, делит пополам все хорды эллипса Е, параллельные m (рис. 85; это следует из того, что каждый диаметр окружности Q делит пополам все перпендикулярные этому диаметру хорды окружности Q).

Рис. 84. Рис. 85.

1) См. в кн. V ЭЭМ статью о конических сечениях.

Таким образом, преобразованию 2 отвечает следующий «словарь»:

Исходное понятие

Преобразованное понятие

Точка

Точка

Прямая

Прямая

Окружность Q

Эллипс Е

Единичная окружность Q0

«Единичный эллипс» Е0

Параллельные прямые

Параллельные прямые

Перпендикулярные прямые

Сопряженные относительно Е прямые

Длина отрезка AB

Отношение 4т7, где OK—параллельный AB полудиаметр Е0

Середина отрезка

Середина отрезка

который можно, разумеется, еще продолжать. Из каждой теоремы евклидовой геометрии мы можем получить новую теорему, заменив все фигурирующие в исходной теореме понятия с помощью выписанного «словаря». Это утверждение и составляет содержание «принципа перенесения», отвечающего сжатию к прямой 2.

Так из теоремы о том, что медиана равнобедренного треугольника служит одновременно и высотой, вытекает, что если стороны AB и АС треугольника ABC пропорциональны параллельным им полудиаметрам эллипса Е, то медиана AD треугольника сопряжена относительно Е с основанием ВС треугольника (рис. 36). Из теоремы о степени точки относительно окружности вытекает, что если через фиксированную точку M провести секущую MAB эллипса Е (где А и В — точки Е), то произведение MA»MB

Рис. 86.

Рис. 87.

будет пропорционально квадрату OK2 параллельного MAB полудиаметра эллипса Е, т. е. отношение ^— будет одним и тем же для всех секущих (рис. 87); из определения и свойств инверсии (стр. 56 и 75) — что преобразование I, сопоставляющее с каждой точкой А плоскости такую точку А' луча OA, что ОА-ОА' = =0/(2, где К есть точка пересечения прямой ОАА' с фиксированным эллипсом Е с центром О, переводит каждую не проходящую через О прямую плоскости в эллипс, гомотетичный Е или полу чающийся из Е параллельным переносом (рис. 88) и т. д.

9.3. Принцип перенесения, отвечающий инверсии. В качестве второго примера естественно рассмотреть инверсию I (§ 1 стр. 56). Это преобразование переводит точку в точку и проходящую через центр О инверсии прямую в прямую; не проходящую же через О прямую / инверсия I переводит в проходящую через О окружность Qrt, а окружность Q0—обратно в прямую /; наконец, окружность Q, не проходящую через О, преобразование I переводит в другую (может быть, ту же самую!) окружность Q', также не проходящую через О (см. стр. 75). Параллельные прямые преобразование I переводит в две окружности (или прямую и окружность), касающиеся в точке О, т. е. не имеющие отличных от О общих точек (рис. 89, а); перпендикулярные же прямые преобразование I переводит в перпендикулярные окружности (прямую и окружность), поскольку I сохраняет величину

Рис. 88.

Рис. 89.

угла (рис. 89, б)1). Наконец, точки А и В, расстояние между которыми равно dy инверсия с центром О и степенью k переводит в такие точки А' и В', что ^это следует из подобия изображенных на рис. 89, а треугольников О AB и OB' А' с общим углом О и пропорциональными сторонами: OA . OA' = OB-03' и, значит, = ^ j . А так как то из последней формулы получаем таким образом, расстояние между преобразованными точками А' и В' пропорционально величине ОАОВ '

Теперь мы можем выписать «словарь», отвечающий инверсии I:

Исходное понятие

Преобразованное понятие

Точка

Точка

Проходящая через О прямая

Проходящая через О прямая

Не проходящая через О прямая

Проходящая через О окружность

Проходящая через О окружность

Не проходящая через О прямая

Не проходящая через О окружность

Не проходящая через О окружность

Параллельные прямые

Касающиеся в точке О окружности (или окружность и прямая)

Перпендикулярные прямые

Перпендикулярные окружности (или окружность и прямая, или две прямые)

Угол между прямыми

Угол между окружностями (или окружностью и прямой, или двумя прямыми)

Расстояние между точками А и В

Величина QA(}ß

Касающиеся окружности (или окружность и прямая)

Касающиеся окружности (окружность и прямая) или параллельные прямые

1) См. статью «Окружности», стр. 474. [Углом, образованным двумя окружностями в точке их пересечения, называется угол между их касательными в этой точке: аналогично угол между прямой и окружностью — это угол между прямой и касательной к окружности в точке ее пересечения с прямой.]

и т. д. Этот «словарь» позволяет получать из известных теорем евклидовой геометрии совершенно новые, зачастую весьма любопытные предложения.

Так, например, из известной теоремы о том, что сумма углов треугольника равна 180°, следует, что если три окружности пересекаются в одной точке О, то сумма углов ^треугольника», образованного в пересечении этих окружностей, равна 180° (рис. 90, а). Из того, что углы при основании равнобедренного треугольника равны следует, что если проходящие через одну точку D окружности пересекаются в таких трех точках А, В и С. что хорды AB и АС пропорциональны хордам OB и ОС ^т. е. величины и qç равны J, то окружности о ab и о ас образуют одинаковые углы с окружностью овс I рис. 90, б; обратно, из равенства этих углов вытекает, что gg-^J-

Из того, что сумма двух сторон треугольника не меньше его третьей стороны, вытекает, что для любых четырех точек at в, С, D плоскости (где точка D играет роль центра о инверсии)

или

Равенство в последнем соотношении будет иметь место в том и только в том случае, если точки Л, В и С лежат на одной окружности (или прямой), проходящей через точку D (рис. 91, а; этот случай отвечает тому, что три исходные точки лежат на одной прямой); таким образом, сумма произведений противоположных сторон вписанного в окружность четырехугольника ABCD равна произведению его диагоналей—это важная

Рис. 90.

теорема элементарной геометрии, называемая теоремой Птолемея Аналогично этому из теоремы Пифагора вытекает, что если точки А, В, С и D плоскости таковы, что окружности DAB и DBC перпендикулярны, то

или

Но нетрудно видеть, что условие перпендикулярности окружностей DAB и DBC равносильно равенству 90° суммы углов ß и Р (“ли углов Л и С) четырехугольника ABCD. В самом деле, из рис. 91, б видно, что

так что сумма £ В -f- /_ D= ^ UDA + /_ ADC + £ CDV как раз равна углу UDV между окружностями DAB и DBC. Таким образом, последнее предложение можно сформулировать следующим образом: если сумма противоположных углов четырехугольника ABCD равна 90°, то сумма квадратов произведений его противоположных сторон равна квадрату произведения диагоналей (ср. с теоремой Птолемея, которую можно сформулировать так: если сумма противоположных углов четырехугольника равна 180е, то сумма произведений его противоположных сторон равна произведению диагоналей).

Ясно, что число примеров теорем, получаемых из теорем евклидовой геометрии при помощи «принципа перенесения», отвечающего инверсии I, можно неограниченно увеличивать.

Рис. 91.

Не представляет также труда составить «словарь», соответствующий гиперболической инверсии (§ 1, стр. 59), в котором, в частности, прямым будут отвечать гиперболы (см. стр. 75). Применение связанного с этим «словарем» принципа перенесения позволяет получить целый ряд любопытных теорем, относящихся к гиперболам.

9.4. Принцип перенесения, отвечающий полярному отображению. Каждому неточечному отображению, например полярному отображению П, также отвечает свой «принцип перенесения».

Отображение П переводит прямую в точку и точку в прямую; параллельные прямые оно переводит в точки, лежащие на одной прямой с центром О отображения, а точки, принадлежащие проходящей через О прямой,—в параллельные прямые (рис. 92). Прямые а и о, образующие угол а, отображение П переводит в такие точки А и В, что/_ ЛОВ = а (ибо OA _]_ а и OB _|_ b, так что отмеченные на рис. 92 углы имеют взаимно перпендикулярные стороны). Точки А и В, удаленные друг от друга на расстояние dy переходят в такие прямые а и 6, что

где А' и В'—проекции точки О на прямые а и b (рис. 92; это следует из того, что точки А' и В' получаются из точек А и В инверсией с центром О и степенью I). Точку А и прямую b (рис. 93), обладающие тем свойством, что расстояние АР от А до b равно d4 полярное отображение П переводит в прямую а и точку В, причем расстояние BQ от В до а равно

Рис 92. Рис. 93.

Для доказательства этого достаточно воспользоваться подобием изображенных на рис. 93 прямоугольных трапеций ОАРВ' и OBQA\ имеющих общий угол АОВ' = /_ BOA' и пропорциональные стороны, заключающие этот угол: О А-О А' = OB-OB' и следовательно, = jrrp\ из подобия этих трапеции следует, что xd=d7t-

Остановимся еще на вопросе о том, во что переводит полярное отображение П окружность S. Ясно, что если центр окружности 5 совпадает с центром О отображения П, то 5 переходит в окружность S' с тем же центром О, радиус г которой обратен радиусу г исходной окружности ^г' ; при этом если первая окружность понимается как совокупность точек, то вторая — как совокупность прямых (своих касательных), и наоборот (рис. 94). Пусть теперь центр D окружности 5 отличен от точки О; радиус ее по-прежнему обозначим через г. Окружность sS мы будем понимать как совокупность («геометрическое место») прямых û, удаленных от точки D на расстояние г. Если d есть образ точки D при полярном отображении, то прямая а перейдет в точку 4, оасстояние АР которой от прямой d равно

Рис. 94.

Таким образом, окружность 5 перейдет в множество всех таких точек Д, что

т. е. в множество всех точек, отношение расстоянии от которых до данной точки О и до данной прямой d равно постоянной величине — = 6. по это множество точек представляет собой коническое сечение (эллипс, параболу или гиперболу) S' с фокусом О и директрисой d\ величина 8 называется эксцентриситетом линии S'1). При этом S' будет являться эллипсом, параболой или гиперболой в зависимости от того, меньше ли расстояние OD, чем г, равно г или больше г, т. е. от того, лежит ли центр О отображения П внутри S, на окружности S или вне 5 (рис. 95, а — в). Обратно, каждая точка окружности S (точка, принадлежащая единственной из прямых а) переводится преобразованием П в касательную конического сечения S' (прямую, содержащую единственную точку А)

1) См. в кн. V ЭЭМ статью о конических сечениях.

Рис. 95.

Таким образом, мы приходим к следующему «словарю»:

Исходное понятие

Преобразованное понятие

Точка А Прямая а

Точка Д, лежащая на прямой b Расстояние OA от О до точки А

Параллельные прямые

Угол между прямыми а и b Расстояние между точками А и В

Расстояние АР от точки А до прямой b

Прямая а Точка А

Прямая а, проходящая через точку В

Величина -^д-,, обратная расстоянию OA' от О до прямой а

Точки, принадлежащие проходящей через О прямой

Угол АОВ

Величина 0д,л0Вг , где А' и В'— проекции точки О на прямые а и Ь.

Величина 0В^А,, где Q и А'— проекции точек В и А на прямую а

Окружность с центром О и радиусом г

Окружность с отличным от О центром D и радиусом г

Окружность с центром О и радиусом —

Коническое сечение с фокусом О, директрисой d и эксцентриситетом — г

Касающиеся окружность и прямая Касающиеся окружности

Коническое сечение и принадлежащая ему точка Касающиеся конические сечения

и т. д. Этот «словарь» позволяет составить много новых геометрических теорем, получаемых из известных теорем при помощи полярного отображения П.

В качестве примера использования отвечающего полярному отображению N «принципа перенесения» рассмотрим теорему о том, что высоты треугольника пересекаются в одной точке Н. Нетрудно понять, что высоту AlDl исходного треугольника АХВХС^ полярное отображение П переводит в такую точку M стороны ВС преобразованного треугольника, что угол МОЛ является прямым. Поэтому теорема о точке пересечения высот переходит в следующую теорему: если через какую-либо точку О в плоскости треугольника ABC провести

три прямые, перпендикулярные прямым OA, OB и ОС, то точки M, N и Р пересечения этих прямых с соответствующими сторонами треугольника ABC принадлежат одной прямой h (рис. 96).

Рис. 96.

Можно применить еще раз полярное отображение (с новым центром Q) к полученной только что теореме; тогда она перейдет в более сложное предложение. В свою очередь и эту последнюю теорему можно преобразовать при помощи нашего «принципа перенесения» и получить новое, еще более сложное предложение. Таким образом, при помощи нашего приема из одной теоремы можно получить неограниченно много новых теорем.

Приведем еще несколько примеров, показывающих, как преобразует наш «принцип перенесения» теоремы, трактующие о свойствах окружностей.

Начнем с теоремы о том, что вписанный в окружность S угол АС à, опирающийся на диаметр AB,— прямой. Если центр полярного отображения П совпадает с центром О окружности S, то «принцип перенесения» переводит эту теорему в следующую: если а, Ь, с—три касательные к окружности S, причем а\\Ь (это соответствует тому, что прямая А В проходит через О), то отрезок, высекаемый а и b на с, виден из центра О окружности под прямым углом (рис. 97, а).

Если принять за центр отображения П вершину С прямого угла, то окружность S перейдет в параболу с фокусом С и директрисой о, получающейся полярным отображением из центра окружности S; точки А и В перейдут во взаимно перпендикулярные касательные а и b пароболы, и мы получим теорему: точка пересечения взаимно перпендикулярных касательных параболы принадлежит ее директрисе (рис 97, б; эту теорему можно также сформулировать следующим образом: геометрическое место вершин описанных вокруг параболы прямых углов есть директриса параболы). Наконец, приняв за центр отображения П произвольную точку Q плоскости, мы придем к теореме: две касательные а и b произвольного конического сечения S', пересекающиеся на его директрисе о (это отвечает тому, что прямая AB проходит через О), высекают на произвольной третьей касательной с отрезок, видный из фокуса Q кривой S' под прямым углом (рис 97, в).

В качестве еще одного примера рассмотрим теорему о том, что касательная t окружности S в ее точке А перпендикулярна радиусу OA; из нее следует, что отрезок произвольной касательной а конического сечения Sl9 заключенный между директрисой о и точкой касания Т прямой а с Slt виден из фокуса Q под прямым углом (рис 98). Любопытные следствия можно также получить из известной теоремы о прямой Симпсона, согласно которой основания перпендикуляров. опущенных из произвольной точки Р окружности S на стороны вписанного в S треугольника ABC, лежат на

одной прямой1). Примем за центр полярного отображения центр О окружности S. При этом окружность S перейдет в другую окружность S, с тем же центром О (рис.99,а); вписанному в S треугольнику ABC будет отвечать описанный около S, треугольник АХВХС1У а точке Р окружности S — касательная р окружности $,; основание К перпендикуляра, опущенного из Р на сторону AB, перейдет в прямую CXD, где D—такая точка касательной pt

Рис. 97

1) См., например, первую часть книги Ж- Адамара, указанной в конце статьи, задачу 72.

что /_ CfiD = 90°, т. е. точка пересечения р с прямой OD, параллельной биссектрисе внешнего угла при вершине С, (ибо ОСх — биссектриса внутреннего угла). Окончательно мы приходим к следующей теореме: прямые, соединяющие вершины треугольника Л с точками пересечения произвольной касательной р к вписанной в АЛВ1С1 окружности S, с проведенными через центр О окружности S, прямыми, параллельными биссектрисам внешних углов при тех же вершинах треугольника пересекаются в одной точке (рис. 99, а). Если принять за центр полярного отображения точку Р, то» окружности S будет соответствовать парабола с фокусом Р, а вписанному в S треугольнику ЛВС—описанный около Sx треугольник АХВХС1% т. е. треугольник, сторонами которого являются касательные параболы. Основания опущенных из Р на стороны ВС, АС, AB перпендикуляров перейдут в перпендикулярные к РАХ, РВг и PCj прямые, проходящие через вершины треугольника (заметим, что точка Р переходит в несобственную прямую). Таким образом, мы можем заключить, что три прямые проведенные через вершины описанного около параболы S, треугольника АХВХСХ перпендикулярно прямым, соединяющим вершины АХ,ВЛ,СХ с фокусом Р параболы, пересекаются в одной точке R (рис. 99, б; отсюда, в частности, следует, что окружность с диаметром PR проходит через точки Л,, ßj и Сх% т. е. что описанная вокруг АХВЛСЛ окружность проходит через фокус параболы). Наконец, приняв за центр полярного отображения произвольную точку Q. мы придем к теореме: если AlBlCl — произвольный треугольник, описанный вокруг конического сечения S, (т. е. треугольник, стороны которого являются касательными линии S,) и Q/C, QL, QM — прямые проведенные через фокус Q кривой S, перпендикулярно QAX, Qß, uQCy и пересекающие произвольную четвертую касательную р конического сечения S, в точках К, L и М, то прямые Л,/(, BXL и СЛМ пересекаются в одной точке (рис. 99, в).

Вспомним еще теорему о степени точки Р относительно окружности S, согласно которой произведение РА PB отрезков любой проходящей через Р прямой, пересекающей окружность, постоянно (т е зависит лишь от S и от Р, но не от секущей РАВ) Приняв точку Р за центрполярного отображения, мы преобразуем эту теорему в следующую; произведение расстояний от фокуса Р конического сечения S, до параллельных касательных а и b (параллельность касательных а и b отвечает тому, что прямая AB проходит через Р) постоянно, т. с. зависит лишь от но не от выбора касательных (рис 100)

Иногда, обратно, свойства конических сечений позволяют доказывать новые теоремы об окружностях В качестве примера можно упомянуть здесь о так называемых фокальных свойствах конических сечений, согласно которым сумма (разность) расстояний от произвольной точки Л, эллипса (гиперболы) S до двух фокусов Р и Q постоянна1); в силу симметричности кривой S отсю а также следует, что сумма (разность) расстояний от фокуса Р эллипса (гиперболы) до точек Л, и Ви касательные в которых параллельны, постоянна (т. с. РАЛ ± РВЛ = РЛ,± Q4,=const; рис. 101, а, б).

Рис 98.

1) См в кн. V ЭЭМ статью о конических сечениях.

Рис. 99.

Рис. 100.

Рис. 101.

Переходя теперь с помощью полярного отображения с центром Р от конического сечения S к окружности Slt мы получим, что если через внутреннюю (внешнюю) точку Р окружности Sx проводить всевозможные секущие АВГ то сумма (разность) величин, обратных расстояниям точки Р до касательных а1 и Ь1 к окружности Sx в точках А и В будет постоянна.

Читатель без труда самостоятельно отыщет много других интересных примеров использования порожденного полярным отображением П «принципа перенесения». Содержательные применения имеет также связанный с подерным преобразованием Л «принцип перенесения», исследование которого мы полностью предоставляем читателю.

9.5. Принцип перенесения и модели геометрических систем. «Принцип перенесения» (точнее, любой из многочисленных «принципов перенесения») позволяет сопоставить с каждым геометрическим предложением другое, совершенно новое предложение. Это новое предложение может быть проще первоначального, и тогда, доказав его, мы убедимся тем самым и в справедливости исходного предложения. Но и в том случае, когда новое предложение доказывается не более просто, чем исходное, мы не остаемся в проигрыше — ведь это предложение не надо доказывать самостоятельно, и, сформулировав его, мы «даром» получим лишнюю геометрическую теорему. Однако «принцип перенесения» имеет и иное значение — он проливает дополнительный свет на самую сущность геометрии (или разных «геометрий», которых, как мы теперь знаем, существует много). В самом деле, отвечающий «принципу перенесения» «словарь» служит для «перевода на новый язык» всех геометрических фактов и теорем. Полученное при таком «переводе» предложение может весьма сильно отличаться от исходного, однако так как его истинность следует из истинности исходного предложения автоматически, надо его считать лишь иной формой того же самого предложения. Если теперь мы применим наш «принцип перенесения» ко всем геометрическим фактам и теоремам, то мы получим некоторое видоизменение знакомой нам геометрии лишь внешне от нее отличающееся, но на самом деле полностью с ней совпадающее. Мы можем, например, в обычной геометрии Евклида называть «прямыми» окружности, проходящие через фиксированную точку О, а под «расстоянием» между двумя точками А и В понимать выражение Q^ 0ß (см. «словарь» на стр. 144—145); при этом все геометрические теоремы сохраняют силу, т. е. мы будем иметь новую «модель»1) евклидовой геометрии. Так, по-прежнему можно будет утверждать, что, скажем, сумма квадратов катетов прямоугольного треугольника равна квадрату гипотенузы или что множество всех точек, равноудаленных от двух данных точек, есть прямая линия, хотя все фигурирующие в этих теоремах геометрические понятия будут иметь новый, отличный от привычного нам смысл. Можно также называть «точками» прямые линии, а «пря-

1) О понятии модели см. статью «Аксиомы и основные понятия геометрии» (стр. 21—27 этой книги ЭЭМ).

мыми»— точки (см. «словарь» на стр. 150)—и все равно все знакомые нам геометрические теоремы сохранят свою силу, т. е. мы получим еще одну модель евклидовой геометрии. Этим подтверждается весьма важный вывод о том, что содержание основных геометрических понятий совершенно несущественно для геометрии, а важны лишь их свойства1). Именно поэтому возможно, видоизменив подходящим образом содержание основных понятий, получить новую модель исходной геометрической системы, лишь по форме отличающуюся от ранее имевшейся. При этом все подобные модели следует считать совершенно равноправными, поскольку у нас нет никаких серьезных оснований предпочесть одну из них всем остальным; в самом деле, лишь привычка заставляет нас понимать под словом прямая именно траекторию светового луча, а не иной геометрический образ2).

Отметим еще, что, разумеется, и для отличных от геометрии Евклида «геометрий» можно образовать много разных «принципов перенесения» и с их помощью много разных моделей. Для того чтобы прийти к какому-то подобному «принципу перенесения», достаточно лишь преобразовать все понятия этой «геометрии» при помощи произвольного преобразования я, не принадлежащего группе (S преобразований, играющих в этой «геометрии» роль «движений». На иллюстрациях, подтверждающих это утверждение, достаточно ясное после всего сказанного выше, мы здесь не остановимся.

ЛИТЕРАТУРА

[I] Ф. Клейн, Сравнительное обозрение новейших геометрических исследований («Эрлангенская программа»), перев. с нем., Сб. «Об основаниях геометрии», М., Гостехиздат, 1956, стр. 399—434.

Основополагающее сочинение знаменитого немецкого математика, в котором впервые были сформулированы принципы теоретико-группового построения геометрии.

[2] И. М. Яглом, Геометрические преобразования, тт. I — II, М., Гостехиздат, 1955—1956;

Обширное сочинение, рассчитанное на широкий круг читателей, в котором подробно рассказывается о разных типах геометрических преобразований и их применениях. В книге освещены также принципиальные вопросы, связанные с теоретико-групповым определением геометрии; содержится много задач, иллюстрирующих применения учения о геометрических преобразованиях. Первый том книги посвящен движениям и преобразованиям подобия; второй — аффинным, проективным и круговым преобразованиям.

1) Ср. стр. 20—21 этой книги ЭЭМ.

2) С точки зрения приложимости геометрических выводов к вопросам практической жизни может даже показаться предпочтительным называть «точкой» малый кружок, а «прямой» — узкую полосу; соответствующая «модель» обычной геометрии, получающаяся из нее расширением (ср. «стр. 125 и след.), полностью равносильна общепринятой «модели».

[3] Д. И. Перепелкин, Курс элементарной геометрии, чч. 1—2, М.—Л., Гостехиздат, 1948—1949.

Подробный учебник элементарной геометрии, в котором весьма тщательно изложены вопросы, связанные с движениями и преобразованиями подобия, в частности содержится исчерпывающая классификация движений и преобразований подобия. Наряду с этим в книге рассматриваются и простейшие круговые преобразования — инверсия и расширение. Первая часть книги посвящена планиметрии, а вторая — стереометрии.

[4| Ж. Адамар, Элементарная геометрия, чч. 1—2, перев. с франц., М., Учпедгиз, 1957—1058.

Подробный учебник элементарной геометрии, по охвату материала близкий к книге Д И. Перепелкина. Среди разделов книги, касающихся геометрических преобразований, можно отметить изящное построение правильных многогранников, базирующееся ьа рассмотрении конечных групп вращений (см. прибавление H ко второй части). Первая часть книги посвящена планиметрии, а вторая — стереометрии.

[5] П. С. Александров, Введение в теорию групп, М., Учпедгиз, 1938. Популярная книга по теории групп, в которой большое внимание уделяется группам движений.

[6) А.И Мальцев, Группы и другие алгебраические системы, в книге «Математика, ее содержание, методы и значение», т. III, M., Изд-во Академии наук СССР, 1956, стр. 248—331

Обстоятельная статья, посвященная некоторым понятиям современной алгебры. Основное место в содержании статьи занимает учение о группах, в частности о группах геометрических преобразований. В статье подробно рассматривается вопрос о дискретных группах движений, обойденный в настоящем изложении вопроса.

[7] Ф. Клейн, Элементарная математика с точки зрения высшей, т. II (геометрия), перев. с нем., М.—Л , ОНТИ, 1954.

Лекции, читавшиеся Ф. Клейном для учителей немецких школ; вопросам, связанным с геометрическими преобразованиями, уделяется них весьма большое внимание.

[8) Ф Клейн, Высшая геометрия, перев. с нем., М.—Л., ОНТИ, 1939.

Эта книга возникла в результате обработки записей специальных курсов, читавшихся некогда Ф Клейном в Геттингенском университете Одна из трех частей книги имеет заголовок «Теорий преобразований* и весьма широко трактует относящийся сюда круг вопросов.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОСТРОЕНИЙ

СОДЕРЖАНИЕ

§1. Некоторые вопросы практического использования геометрических построений ............................ 160

1.1. Введение................... ....... 160

1.2. Инструменты для практического осуществления геометрических построений.............. ....... 160

1.3. Точность построения..................... 164

§2. О решении задач на построение в зависимости от принятых инструментов ............................ 167

2.1. Построения линейкой, циркулем, чертежным треугольником и транспортиром ...................... 167

2.2 Построения с помощью одного циркуля (построения Мора—Маскерони)...................... 168

2.3. Построения с помощью одной линейки (построения Понселе— Штейнера) .......................... 171

2.4. О построениях с помощью иных наборов инструментов ... 175

$3. О построениях на ограниченном куске плоскости ...... 177

3.1. Построения с помощью линейки ограниченной длины .... 177

3.2. Построение на ограниченном куске плоскости....... 179

§4. Общие методы решения задач на построение на плоскости .... 182

4.1. Метод расчленения условий задачи (метод «геометрических мест»)............................. 182

4.2. Общая схема решения задачи на построение......... 184

4 3. Алгебраический метод .................... 185

§5 Использование геометрических преобразований при решении задач на построение на плоскости ................... 189

5 1 Общие замечания....................... 189

5.2 Примеры........................... 190

§6 Приближенные методы геометрических построений и их значение для практики.......................... 193

6.l. Точные и приближенные решения задач на построение .... 193

6.2. Задачи на спрямление дуг окружности............ 194

6.3. Графоаналитический метод и метод последовательных приближений ............................ 197

§ 7. Геометрические построения в пространстве ........... 200

7.1. Система постулатов для построений на плоскости...... 200

7 2. Система постулатов для «воображаемых построений» в пространстве ........................... 201

7.3. Пример............................ 202

7 4. Заключение.......................... 203

Литература.............................. 203

§ 1. Некоторые вопросы практического использования геометрических построений

1.1. Введение. Решение задач на построение на плоскости сводится к выполнению некоторых операций с помощью чертежных инструментов. Решить задачу на построение — значит по заданным в условии задачи элементам (точкам, прямым, окружностям и т. д.) с помощью определенных средств построения (указанных в условии задачи или выбранных исполнителем) найти искомые элементы, удовлетворяющие сформулированным в условии задачи требованиям. Обычно эти требования указывают отношения, в которых должны находиться искомые элементы друг с другом или с заданными элементами.

Геометрические построения нашли широкое применение в чертежно-конструкторской и производственной практике. Поэтому нам представляется целесообразным, прежде чем переходить к математическому рассмотрению геометрических построений, уделить внимание некоторым вопросам, связанным с практическим использованием геометрических построений, а именно:

общим требованиям к выполнению построений,

выбору инструментов и некоторым приемам решения наиболее распространенных конструктивных задач,

вопросам точности геометрических построений.

С краткого рассмотрения указанных вопросов мы и начнем первый параграф.

1.2. Инструменты для практического осуществления геометрических построений. Геометрические построения используются в том или ином виде почти во всех областях народного хозяйства. Выполнение разнообразных чертежей, вычерчивание графиков, применение графических методов расчетов, разметка деталей — все это требует геометрических построений.

Во многих случаях при выполнении геометрических построений на практике большое, а иногда и решающее значение для оценки их пригодности имеют простота выполнения построений и получаемая точность результата. Вследствии этого на производстве, в конструкторских бюро, всюду, где приходится иметь дело с большим числом построений, используются инструменты и приемы построений, обеспечивающие выполнение этих требований.

Так, например, широкое распространение в чертежно-конструкторской практике получила чертежная машина (рис. 1), с помощью которой проводятся параллельные и перпендикулярные прямые, строятся углы. Чертежная машина заменяет знакомый еще школьникам набор чертежных инструментов: рейсшину, линейку, чертежный треугольник, транспортир. Заметим, что при выполнении построений с помощью этого набора (с добавлением циркуля) основные построения осуществляются наиболее целесообразными приемами. Так, например, постро-

ение параллельных и перпендикулярных прямых выполняется с помощью чертежного треугольника и линейки (рис. 2, а и б); построение касательной к окружности при данной вне окружности точке, через которую проходит эта касательная,—с помощью одной линейки (рис. 3) и т. д.

Так как обычный набор инструментов (циркуль, линейка, чертежный треугольник, транспортир и даже чертежная машина) не всегда может обеспечить достаточно простое и точное решение задачи, то для более сложных построений, особенно если их приходится выполнять в большом числе, используются разнообразные специализированные инструменты и приборы.

Среди них можно указать пантограф для подобного преобразования фигур, эллипсограф—для вычерчивания эллипсов по заданным осям, коордиограф—для построения параллельных и взаимно перпендикулярных прямых и нанесения точек по заданным их координатам—и другие, более специальные приборы.

Рис. 1.

Рис. 2.

Разнообразен выбор инструментов и при разметке1). Так, например, разметочные линии наносятся на поверхность металла (часто покрываемую специальной краской для лучшей их видимости) стальными чертилками (рис. 4); точки пересечения проведенных линий (рисок), а иногда и сами линии, намечаются керном (рис. 5).

Для проведения горизонтальных линий на деталях используются специальные рейсмасы (рис. 6). Для выполнения геометрических построений и измерений используются угольники (рис. 7), линейки, штангенциркули (рис. 8) и др. В случае необходимости выполнения построений с большой точностью применяются мерные плитки, циркули и рейсмасы с микрометрическими винтами. При этом может быть достигнута точность откладывания и измерения отрезков порядка 0,02 мм.

Покажем, например, как на обработанной плоскости детали выполняются некоторые построения, применяющиеся в чертежно-конструкторской практике, в частности, построение параллельных и перпендикулярных прямых.

Рис. 3.

Рис. 4.

Рис. 5.

Рис. 6.

Рис. 7.

1) Разметкой называется операция нанесения на заготовку детали точек и линий, указывающих места последующей механической обработки в соответствии с данным рабочим чертежом.

Наиболее простой случай будет, если смежные плоскости (/, 2, 3 на рис. 9) детали уже обработаны и составляют друг с другом прямой угол. Если деталь тонкая и края ее неровны, то разметка ведется на разметочной плите (рис. 10) или так, как указано на рис. 11. В некоторых случаях при недостаточно ровной поверхности детали параллельные и перпендикулярные прямые строятся обычными приемами с помощью циркуля и линейки.

Часто при разметке употребляются также специализированные комбинированные инструменты. Например, имеется большое число приспособлений для нахождения центров отверстий и цилиндрических выступов, для построения окружностей с недоступным центром и пр.

Рис. 8.

Рис. 9.

Рис. 10.

Рис. 11.

В последнее время в разметке используются оптические методы. Так, например, при выполнении разметки контуров шаблонов в судостроении вначале с большой тщательностью выполняются на чертежной бумаге

чертежи-шаблоны деталей. Затем эти чертежи фотографируются, и негативы проектируются на разметочный стол с соответствующим увеличением Разметчику остается накернить контуры детали. В этом случае точность разметки существенно зависит не только от правильного выбора масштаба увеличения и точности накернивания линии, но и от точности выполнения чертежей для фотосъемки.

1.3. Точность построения. Геометрические построения по требованиям к точности их выполнения могут быть условно разделены на две группы:

1) Геометрические построения, не требующие при их выполнении особой точности; они используются при изготовлении, например, рабочих чертежей деталей, схем узлов, станков и пр.; на этих чертежах в случае необходимости проставляются все нужные размеры.

2) Геометрические построения, к точности выполнения которых предъявляются повышенные требования. Таковы, например, построения, выполняемые при изготовлении чертежей, по которым ведется обработка деталей на оптико-шлифовальных станках, при разметке контрольных шаблонов, по которым проверяются контуры изготовленных шаблонов и пр. Большая точность построения требуется и при выполнении численного решения алгебраических или аналитических задач графическими методами.

При графическом решении задач могут встретиться случаи, когда

а) точность результата обусловливается исключительно точностью выполнения построений (например, нахождение с помощью циркуля и линейки середины данного отрезка), так как решения этих задач теоретически точные;

б) точность построения не оказывает сколь-нибудь существенного влияния на точность результата — это будет в тех случаях, когда в задаче исходные данные заданы приближенно, с точностью, меньшей той, которую дает само построение (например, графическое определение толщины угольного пласта, выполняемое при предварительной оценке его мощности);

в) точность построения существенно зависит от метода решения задачи; это важно в тех случаях, когда построение дает заведомо приближенный результат, даже если предположить, что исходные данные заданы точно и идеально точны выполняемые построения (приближенные построения, например построение отрезка, равного длине окружности, деление произвольного угла на три части с помощью линейки и циркуля и др.).

Рассмотрим сначала, какие причины влияют на точность построения. Вопросам приближенных построений будет посвящен отдельный параграф.

Несмотря на то, что графические методы решения задач появились достаточно давно, вопросами точности таких построений начали заниматься по существу только в последние 50 лет. Это объ-

ясняется тем, что выяснение точности графических построений ранее не требовалось так настойчиво практикой, как в настоящее время.

В результате теоретического выполнения решения задачи на построение (рассматривается случай, когда задача имеет решение и оно выполнено верно) находится фигура, удовлетворяющая всем требованиям, поставленным в условии задачи. Однако при фактическом выполнении построения полученная фигура будет, вообще говоря, отличаться от искомой вследствие неизбежных погрешностей, возникающих в процессе построения. Эти погрешности могут быть разделены на три группы:

1. Систематические погрешности, возникающие, например, вследствие использования приборов с неточной градуировкой, построений с помощью чертежных треугольников, у которых углы выполнены неточно.

Систематические погрешности, естественно, влияют на точность результата построения и иногда могут быть в той или иной мере учтена. Для уменьшения их влияния необходимы, например, тщательная проверка и отбор чертежных инструментов.

2. Случайные погрешности зависят, как видно из самого названия, от ряда случайных, трудно поддающихся анализу, но всегда в той или иной мере присутствующих причин. Их величины не могут быть точно определены, но поддаются оценке1).

Эти погрешности по характеру происхождения могут быть:

а) объективными погрешностями, не зависящими от исполнителя, и

б) субъективными погрешностями.

Объективные погрешности происходят по той причине, что в действительности не существует идеально точных инструментов, не существует идеально остро заточенной ножки циркуля, грифеля карандаша, идеально гладкой бумаги. Поэтому невозможно проводить на чертеже линии в математическом понимании этого слова (линии «без ширины»), вместо них получаются полосы, вообще говоря, переменной ширины (из-за неизбежного стирания грифеля), вместо точки пересечения прямых (в математическом смысле), мы получаем некоторый криволинейный четырехугольник.

Точно так же при определении точки уколом острия грифеля или ножки циркуля мы получаем вместо точки «пятно» или отверстие. При повторных уколах отверстие «разрабатывается», увеличивается в диаметре, что влияет на увеличение погрешности построения.

Кроме того, на точность построения влияют факторы субъективного характера. Влияние некоторых из них может быть уменьшено (например, точность построения увеличивается при внимательности исполнителя), но не может быть полностью исключено.

1) См. таблицу на стр. 166, заимствованную из кандидатской диссертации А. А. Мироновича «Анализ точности графических расчетов» Ленинград, 1950.

Таблица средних значений погрешностей элементарных операций

п. п.

Элементарные операции

Погрешность

1

Диаметр «круглой точки» при уколе ножки циркуля ......................

0,20 мм

2

Диаметр «круглой точки» при уколе карандашом

0,25—0,30 мм

3

Средняя толщина тонкой линии .........

0,15 мм

4

Ошибка укола в данную точку..........

0,08 »

5

Повторные уколы (от 2 до 9) дают добавочную ошибку.....................

0—0,25 »

6

Ошибка укола циркулем в произвольную точку прямой .....................

0,03 »

7

Ошибка укола карандаша в произвольную точку прямой .....................

0,05 »

8

Определение точки пересечения прямых.....

0,08 »

9

Ошибка проведения прямой через точку.....

0,08 »

10

Точность нанесения угла по транспортиру (г^г 100 мм)..................

4

11

Точность проведения параллельных и перпендикулярных прямых треугольником и линейкой . .

16“ на 100 мм

12

Точность прикладывания линейки к двум точкам

0,03 мм

13

Точность прикладывания линейки к прямой . . .

0,002 мм

14

Угловая точность прикладывания линейки к двум точкам .....................

0,05:2

15

Угловая точность прикладывания линейки к прямой ......................

0,03:1

3. Наконец, к третьей группе могут быть отнесены промахи и ошибки, ведущие к негодности результата, так как при этом получаются неверные построения.

На основании анализа систематических и случайных погрешностей можно вывести некоторые элементарные требования к построениям, выполнение которых способствует повышению точности. Сформулируем некоторые из этих требований. Для увеличения точности построения необходимо проводить возможно более тонкие линии. Для уменьшения погрешности следует брать точки, определяющие прямую на возможно более далеком расстоянии друг от друга, так как угловая погрешность уменьшается при увеличении / (рис. 12). Радиусы вспомогательных окружностей следует выбирать так, чтобы окружности пересекались под углами, возможно более близкими к прямым и т. д.

Рис. 12.

4. Необходимо также выдерживать принцип однообразия порядка малости отрезков; иными словами, в построении должны использоваться отрезки приблизительно одной величины1).

§ 2. О решении задач на построение в зависимости от принятых инструментов

2.1. Построения линейкой, циркулем, чертежным треугольником и транспортиром. Хорошо известно, что не всякая задача на построение может быть решена конструктивно; иными словами, не всякая геометрическая фигура, математически вполне определенная, может быть теоретически точно построена с помощью данного набора инструментов. Так, например, по заданному единичному отрезку не может быть построен с помощью циркуля и линейки квадрат, площадь которого равна площади круга единичного радиуса2). Точно так же не могут быть выполнены только с помощью этих инструментов удвоение куба (см. стр. 220), трисекция произвольного угла (стр. 221), построение треугольника по его биссектрисам (стр. 223), построение правильного семиугольника или девятиугольника (стр. 225) и т. п. Разумеется, одна и та же задача на построение может оказаться разрешимой при одном выборе набора инструментов и неразрешимой при другом.

Мы будем считать, что речь идет о построениях, выполняемых не циркулем и линейкой, как это обычно делается в работах по геометрическим построениям, а большим числом инструментов — линейкой, циркулем, чертежным треугольником и транспортиром. Это расширение инструментов произведено с целью привести теоретическое рассмотрение вопроса о конструктивных элементах в большее соответствие с чертежной практикой.

Укажем теперь наиболее характерные построения, которые могут быть осуществлены при однократном использовании приведенных выше инструментов.

Циркуль. Характерная для циркуля операция заключается в помещении острия циркуля в некоторую (данную или произвольную), точку и проведения окружности (или дуги окружности) данным или произвольным радиусом; радиус может быть задан двумя точками.

Линейка. Характерная операция для чертежной линейки — прикладывание края линейки к двум точкам и проведение прямой по этому краю3).

1) Обычно считают, что отношение отрезков не должно превышать 20.

2) См. в этой книге ЭЭМ статью «О разрешимости задач на построение с помощью циркуля и линейки», стр. 226—227.

3) На практике линейкой пользуются также для построения касательной к данной окружности, проходящей через данную вне ее точку (см. рис. 3) и для построения общих внешних и внутренних касательных к двум окружностям.

Поэтому считают, что с помощью линейки могут быть построены прямая (или луч, или отрезок прямой), проходящая через две данные (или произвольные) точки.

Чертежный треугольник обладает всеми свойствами односторонней линейки и, следовательно, ему свойственны те же характерные операции, что и для линейки. Кроме того, характерная для треугольника операция заключается в наложении треугольника на чертеж так, чтобы одна из его сторон совместилась с данной прямой, и проведении прямой по другой стороне угла1).

Следовательно, с помощью чертежного треугольника могут быть выполнены те же построения, что и с помощью линейки, а также построение прямой, проходящей через данную точку и образующей с данной прямой угол, равный одному из углов чертежного треугольника.

Транспортир. Характерной операцией для транспортира является прикладывание прямолинейного края «0°—180°» транспортира к данной прямой, совмещение его нулевой отметки с данной на прямой точкой и построение точки, находящейся на луче, проходящем через нулевую отметку и образующем заданный угол с данной прямой. Применение транспортира дает возможность найти точку луча, образующего некоторый (заданный) угол с данной прямой и исходящего из данной на ней точки.

Итак, мы получили характеристику выбранных инструментов. Следует заметить, что все указанные операции могут быть также выполнены циркулем и линейкой, так что при указанном употреблении перечисленных инструментов класс разрешимых задач на построение совпадает с классом задач, разрешимых циркулем и линейкой (хотя, конечно, использование большего набора инструментов практически приводит к упрощению самих построений).

Вопрос о том, какие задачи на построение могут быть решены при помощи выбранного набора инструментов или, что то же самое, при помощи циркуля и линейки, детально обсуждается в специальной статье, помещенной в этой же книге ЭЭМ (стр. 205—227). Там же обсуждается вопрос о роли произвольных элементов в геометрических построениях.

2.2. Построения с помощью одного циркуля (построения Мора—Маскерони). Укажем теперь некоторые результаты о разрешимости задач на построение при ином выборе набора инструментов.

Здесь следует прежде всего отметить, что набор, состоящий из циркуля и линейки, эквивалентен в некотором смысле «набору», состоящему из одного только циркуля: всякая задача на построе-

1) На практике это построение выполняется с использованием линейки и угольника.

ние, разрешимая с помощью циркуля и линейки, разрешима также с помощью одного циркуля. Однако использование линейки позволяет фактически провести прямолинейные отрезки, содержащиеся в искомой фигуре (если задача требует нахождения этих отрезков), в то время как построения одним циркулем определяют лишь концы таких отрезков. Следовательно, включение линейки по сути дела не расширяет числа задач, которые могут быть решены с помощью одного циркуля. Это положение было впервые высказано в книге датского математика Георга Мора «Датский Евклид», 1672 г., а затем в работе итальянского инженера Лоренцо Маскерони «Геометрия циркуля», 1797 г. Иное доказательство этого же утверждения было дано в 1890 г. А. Адлером.

Для доказательства теоремы Мора — Маскерони достаточно убедиться, что с помощью одного циркуля можно определить точку пересечения двух прямых (каждая из которых задается двумя своими точками), а также точку пересечения заданных прямой и окружности Мы воспользуемся с этой целью преобразованием инверсии (см стр. 56 этой книги ЭЭМ), изложив доказательство теоремы Мора—Маскерони в виде решения следующих шести задач.

Задача 1. Даны три точки А, В, С. Найти точку С, симметричную точке С относительно прямой AB.

Решение непосредственно получается проведением двух окружностей (рис. 13).

Задача 2. Даны окружность L, ее центр О и произвольная точка А. Найти точку М, в которую переходит точка А при инверсии относительно окружности L.

Решение, Проведем через точку О окружность с центром А, и пусть В и С—точки пересечения этой окружности с окружностью L (рис. 14). Далее, проведем через точку О еще две окружности с центрами В и С. Тогда точка M пересечения двух последних окружностей и будет искомой.

Доказательство правильности этого построения вытекает из того, что равнобедренные треугольники ОВМ и ОВА с общим углом О подобны и потому

Рис. 13. Рис. ;4.

Задача 3. Даны окружность L, ее центр О и две точки А, В. Найти центр окружности, в которую переходит прямая AB при инверсии относительно скружнссти L.

Решение. Найдем точку С, симметричную точке О относительно прямой AB (задача 1\ Тогда точка /И, в которую переходит точка С при инверсии относительно окружности L (задача 2), является искомой. Для доказательства правильности построения обозначим через D основание перпендикуляра, опущенного из точки О на прямую AB, а через Е— точку пересечения прямой OD с окружностью, в которую при инверсии переходит прямая AB (рис. 15). Тогда имеем

OM-OC=OD-OE (=г2).

Так как, далее, 0C=20D (по определению точки С), то, очевидно, 0М=-^ ОЕ,

и потому M — центр окружности (ибо ОЕ диаметр).

Задача 4. Даны три точки А, В, С. Найти центр окружности, проходящей через эти точки. Решение. Проведем произвольную окружность L с центром в точке А. Обозначим через M к N точки, в которые переходят В и С при инверсии относительно окружности L (задача 2). Тогда окружность, проходящая через точки А, В, С, перейдет при инверсии в прямую MN (рис. 16). Таким образом, нам остается найти центр окружности, в которую переходит прямая MN при инверсии относительно L (задача 3).

Задача 5. Найти точку пересечения данной окружности L с данной прямой MN.

Решение. Прежде всего заметим, что на основании задачи 4 мы можем считать центр окружности L неизвестным. Обозначим его через А. Найдем теперь центр О окружности, в которую переходит прямая MN при инверсии относительно окружности L (задача 4). Далее проведем окружность с центром О, проходящую через точку А (т. е. окружность, в которую при инверсии переходит прямая MN). Две точки Р, Q, в которых последняя окружность пересекается с окружностью L, являются искомыми (рис. 16).

Задача 6. Даны четыре точки А, В, С, D. Найти точку пересечения прямых AB и CD.

Решение. Проведем произвольную окружность L с центром в точке А. При инверсии относительно окружности L прямая AB перейдет в себя, а прямая CD—в некоторую окружность L', проходящую через точку Л; центр M этой окружности мы можем найти (задача 3). Найдем теперь точку Р (отличную от А) пересечения окружности V и прямой AB (задача 5). Тогда точка Q, в которую переходит Р при инверсии относительно

Рис. 15.

Рис. 16.

окружности L (задача 2), является искомой точкой пересечения прямых AB и CD (рис. 17).

Очевидно, что из возможности решения задач 5 и 6 с помощью циркуля и вытекает теорема Мора — Маскерони.

2.3. Построения с помощью одной линейки (построения Понселе — Штейнера). Швейцарский геометр Якоб Штейнер, считавший наиболее точным инструментом линейку, в 1833 г. показал, что любая задача на построение, разрешимая с помощью циркуля и линейки, может быть решена с помощью проведения только прямых линий, если только в плоскости чертежа задана окружность и ее центр. (При этом некоторая окружность считается построенной, если найдены ее центр и радиус.) Несколько ранее эта же теорема была установлена совершенно другим методом французским математиком Ж. Понселе.

Для доказательства теоремы Понселе — Штейнера мы решим с помощью линейки следующие 9 задач на построение, считая, что в плоскости начерчена окружность L и задан ее центр О.

Задача 1. Построите некоторый прямоугольник.

Решение. Через точку О проведем две произвольные прямые (рис. 18). Точки А, ß, С, D, в которых эти прямые пересекаются с окружностью L, являются вершинами прямоугольника.

Рис. 17.

Рис. 18.

Рис. 19.

Задача 2. Даны две параллельные прямые и две точки А, В на одной из них. Разделить отрезок AB пополам.

Решение. Обозначим прямую, параллельную AB, через /. Возьмем на прямой / произвольную точку С, проведем прямую ВС и на ней выберем произвольную точку M (рис. 19). Теперь проведем прямую AM и

обозначим через D точку пересечения этой прямой с прямой /. Наконец, проведем прямые АС и BD и обозначим через N их точку пересечения. Тогда прямая MN проходит через середину отрезка AB. Доказательство правильности этого построения легко вытекает из рассмотрения подобных треугольников (через Р и Q обозначены точки пересечения прямой MN с прямыми / и AB):

Почленно перемножая получающиеся равенства

и производя сокращение, получаем

Задача 3. Построить квадрат Решение. Построим прямоугольник ABCD, вписанный в окружность L (задача 1). Так как AB \\ CD, то мы можем разделить отрезки AB и CD пополам (задача 2) Точно так же можно разделить отрезки AD и ВС пополам (рис. 20). Мы получим четыре точки Л1, N, Р, Q, являющиеся серединами сторон прямоугольника ABCD Прямые MP и NQ проходят через точку О (являющуюся центром прямоугольника и центром окружности L) и параллельны сторонам прямоугольника. Следовательно, MP и NQ— две взаимно перпендикулярные прямые, проходящие через центр окружности L. Поэтому точки Е, F, G, Н, в которых эти прямые пересекаются с окружностью L, являются вершинами квадрата.

Задача 4. Дана прямая I и точка Е вне ее. Провести через точку Е прямую, параллельную I.

Решение. Построим прямоугольник ABCD (задача 1) и найдем середины M, N, Р, Q его сторон (задача 2). Далее, проведем прямые MP и NQ (рис. 21, а). Прямая / не может быть параллельна всем сторонам прямоугольника ABCD. Пусть сторона AB не параллельна прямой /. Тогда прямые AB, NQ и CD пересекаются с прямой / в некоторых точках R, S, Т. Так как прямая NQ находится на равных расстояниях от параллельных ей прямых AB и CD, то RS—ST, т. е. S — середина отрезка RT.

Дальнейшее построение по сути дела представляет собой решение задачи, обратной задаче 2. Именно, проведем прямую ТЕ (рис. 21, б) и на ней выберем произвольную точку U. Затем проведем прямые US, UR, ER и обозначим через G точку пересечения прямых ER и US. Наконец, проведем прямую TG и обозначим через F точку пересечения этой прямой с прямой UR. Тогда ЯР —искомая параллельная к прямой /.

Рис. 20.

1) Другое доказательство приведено на стр. 69 этой книги ЭЭМ.

Для доказательства правильности этого построения обозначим через Р* такую точку прямой UR, что EF'\\TR, а через G'—точку пересечения прямых ER и TF'. Тогда прямая UG' проходит через середину отрезка TR (ср. задачу 2 и рис. 19), т. е. совпадает с прямой US. Таким образом, точка G' лежит на прямой US. Так как она, кроме того, лежит на прямой ER, то точка G' совпадает с точкой пересечения прямых US и ER, т. е. совпадает с точкой G. Следовательно, прямая TG' совпадает с прямой TG, и потому точка F' лежит на прямой TG. Кроме того, точка F' лежит на прямой UR. Итак, точка F' совпадает с точкой пересечения прямых TG и UR, т. е. совпадает с точкой F. Но тогда прямая EF совпадает с EF', т. е. £F||77?.

Задача 5. Даны прямая I и точка М. Провести через точку M прямую, перпендикулярную I.

Решение. Построим квадрат EFGH (задача 3). Далее через его центр О (т. е. через точку пересечения диагоналей EG и FH) проведем прямую, параллельную Z (задача 4). Пусть Р — одна из точек пересечения этой прямой с квадратом (рис. 22) Пусть, для определенности, точка Р лежит на стороне FG Проведем через точку Р прямую, параллельную EG (задача 4) и обозначим через Q точку пересечения этой прямой со стороной EF.

Рис. 21.

Рис. 22.

Очевидно, что FP = FQ. Теперь через точку Q проведем прямую, параллельную FG (задача 4) до пересечения в точке R со стороной GH. Тогда RG = QF = FP. Теперь из равенства треугольников OPF и ORG (по сторонам RG = PF, QG = OF и заключенному между ними углу) вытекает, что POF= l_ ROG, и потому £ROP = = £ GOF — 90°. Итак, OR — перпендикуляр к прямой ОР, а значит, и к прямой /. Остается провести через точку M прямую, параллельную OR (задача 4).

Задача 6. Даны отрезок AB ы, кроме того, прямая I и на ней точка С. Найти на прямой I такую точку Е, что СЕ = АВ.

Решение. Проведем через точку В прямую, параллельную ЛС, а через точку С — прямую, параллельную AB (задача 4). Мы получим параллелограмм ABDC (рис. 23). Теперь через центр О окружности L проведем прямые, параллельные CD и / (задача 4) и обозначим через D' и Е' точки пересечения этих прямых с окружностью L. Тогда треугольник OD Е' — равнобедренный. Следовательно, проведя через точку D прямую, параллельную D'E' (задача 4), до пересечения в точке Е с прямой /, мы получим равнобедренный треугольник CDE, и потому CE = CD = AB. (Заметим, что, заменив Ег диаметрально противоположной точкой мы получили бы на прямой / вторую точку находящуюся от С на расстоянии СЕХ = АВ.)

Задача 7. Найти радикальную ось1) двух окружностей, если заданы их центры О,, 02 и радиусы гх% г2.

Решение. Проведем прямую Ofi2 и в точках О,, 02 восставим к этой прямой перпендикуляры (задача 5). На этих перпендикулярах отложим отрезки 0,Л=г2 и 02ß=r, (задача 6). Теперь проведем прямую AB (рис. 24) и разделим отрезок AB пополам (задачи 2 и 4). Наконец, через середину M отрезка AB проведем перпендикуляр к прямой; AB (задача 5) до пересечения в точке D с прямой 0,02. Нетрудно видеть, что точка D лежит на искомой радикальной оси. Действительно, обозначив через dx и d2 расстояния от точки D до О, и 02, мы найдем

т е.

а это и означает, что точка D лежит на радикальной оси. Остается про-

Рис. 23.

Рис. 24.

1) Определение и свойства радикальной оси см. в статье «Окружности», стр. 455—459 этой книги ЭЭМ.

вести через точку D перпендикуляр к прямой Ofi2 (задача 5)—это и будет искомая радикальная ось.

Задача 8. Даны прямая I, точка M и отрезок г. Найти точки пересечения прямой I с окружностью, имеющей центр M и радиус г.

Решение. Выберем на прямой / произвольную точку H и проведем прямую МН. На прямой МН отложим от точки M отрезок МР=г (задача б). Теперь проведем через центр О окружности L прямую, параллельную МН (задача 4) до пересечения в точке Р' с окружностью L. Далее, проведем прямые МО и РР' и обозначим через А их точку пересечения (рис. 25). Точку пересечения прямых АН и ОР' обозначим через #'. Наконец, проведем через точку Н' прямую, параллельную / и, обозначив через В' и С точки пересечения этой прямой с окружностью L, проведем прямые AB' и АС до пересечения в точках В, С с прямой /. Тогда В и С — искомые точки пересечения прямой и окружности. Для доказательства правильности этого построения заметим, что из соотношений ОР'\\МР, В'С'\\1 вытекает подобие ряда треугольников с общей вершиной в точке А. В частности,

МАНА CA 0А~Н'А~~СА '

и потому треугольники MAC и ОАС подобны. Следовательно,

MC _МА_МР ОС~ОА ~0Р''

Так как ОС =0Р', то отсюда вытекает, что МС=МР = г, т. е. точка С—искомая. Аналогично устанавливается, что MB = г.

Задача 9. Найти точки пересечения двух окружностей, заданных своими центрами О,, 02 и радиусами г1% г2.

Решение. Построим радикальную ось / этих окружностей (задача 7). Если окружности пересекаются, то радикальная ось / является продолжением их общей хорды, т. е. прямая / проходит через точки пересечения окружностей. Поэтому достаточно найти точки пересечения прямой / с одной из окружностей (задача 8).

Очевидно, что из возможности решения задач 8 и 9 с помощью линейки (при условии, что в плоскости начерчена окружность L и задан ее центр О) и вытекает теорема Понселе — Штейнера.

2.4. О построениях с помощью иных наборов инструментов.

В заключение этого параграфа укажем некоторые результаты, касающиеся применения других наборов инструментов.

В 1890 г. Август Адлер доказал возможность решения всех задач на построение, разрешимых циркулем и линейкой, при помощи так называемой двусторонней линейки (т. е. линейки с двумя параллельными краями), или при помощи прямого или острого угла (а следовательно, и угольника).

Таким образом, для решения всякой задачи на построение, разрешимой циркулем и линейкой, достаточно одного из следующих

Рис. 25.

инструментов: циркуль, двусторонняя линейка, прямой или острый угол, угольник. Разумеется, комбинируя те или другие из этих инструментов, можно получить решение, более простое по технике выполнения.

Существуют также наборы инструментов, с помощью которых могут быть решены и задачи более высоких степеней (неразрешимые циркулем и линейкой). Иногда для этого необходимо, чтобы в плоскости чертежа была задана некоторая фигура. Так, например, каждая задача на построение третьей и четвертой степени может быть решена с помощью циркуля и линейки, если в плоскости чертежа дано отличное от окружности коническое сечение.

Мы приведем для иллюстрации только один пример—решение задачи трисекции угла при помощи так называемой вставки. Пусть на рис. 26 AB=BO=OC=OD. Тогда 2.ВА0 = ZВ0А =а, далее, угол СВО (внешний угол треугольника АВО) равен 2а; точно так же равен 2а и второй угол ВСО равнобедренного треугольника ОВС\ наконец, угол COD (внешний угол треугольника ОАС) равен а + 2а = 3а Из этого вытекает простой способ деления на три равные части произвольного угла с помощью циркуля и вставки, т. е. линейки с нанесенными на ней двумя делениями А и В. Именно из вершины О данного угла описываем радиусом, равным AB, окружность. Пусть С и D — точки пересечения этой окружности со сторонами угла СОД (рис. 26), который нужно разделить на три равные части. Будем теперь двигать вставку в плоскости так, чтобы точка А, отмеченная на вставке, скользила по прямой OD, а край вставки (т. е. линейки) проходил все время через точку С. Движение вставки будем производить до тех пор, пока точка В, отмеченная на вставке, не попадет на окружность. Тогда мы будем иметь расположение вставки, указанное на рис. 26, и ^ВАО будет в точности равен третьей части данного угла COD.

Это описание может создать впечатление, что задача деления произвольного угла на три равные части решена при помощи циркуля и линейки—ведь, имея карандаш и линейку, можно сделать на крае линейки две отметки. Однако когда идет речь о решении задачи на построение с помощью того или иного набора инструментов, то считаются указанными не физически реализованные инструменты, с помощью которых производятся построения, а лишь перечень тех «элементарных» операций, которые с помощью этих «идеаль-

Рис. 26.

ных» инструментов можно выполнять1). Перечисленные же на стр. 167 «элементарные» операции, осуществимые с помощью циркуля и линейки, не включают такого использования линейки, которое применено в описанном построении. Именно поэтому линейку с отмеченными на ней двумя точками мы назвали «вставкой», чтобы подчеркнуть, что этот инструмент отличен от линейки.

Как же быть с решением так называемых трансцендентных задач? Классическим примером такой задачи может служить задача о спрямлении длины окружности, т. е. о построении отрезка, длина которого равна 2яг,где г—радиус окружности, а я—отношение длины окружности к диаметру, — трансцендентное число. Данная задача не может быть решена не только с помощью обычного циркуля и линейки, но и с помощью эллиптического циркуля и вообще инструмента, чертящего алгебраическую кривую2).

§ 3. О построениях на ограниченном куске плоскости

3.1. Построения с помощью линейки ограниченной длины. При решении задач на построение мы всегда так или иначе ограничены в применяемых средствах построения. Выше мы подробно рассмотрели вопрос о тех ограничениях, которые накладываются выбором того или другого набора «чертежных инструментов». Однако могут встречаться и ограничения совершенно другого характера

Ясно, например, что возможность неограниченного проведения прямых линий и окружностей, постулированная в классической постановке задачи о построениях «циркулем и линейкой», практически не может быть реализована, так как в нашем распоряжении всегда имеется лишь «линейка» ограниченной длины, позволяющая соединять отрезком две точки, находящиеся друг от друга на расстоянии, не большем /, а также «циркуль» ограниченного раствора, позволяющий строить окружности не слишком малого и не слишком большого радиуса (т. е. окружности, радиус г которых удовлетворяет условию a^r^b, где а и b характеризуют возможности «циркуля» — длину его ножек и т. п.). Поэтому представляет практический интерес решение вопроса о построениях, которые можно производить «короткой» линейкой и циркулем ограниченного раствора.

1) Недаром у Евклида, от которого идет постановка вопроса о построениях циркулем и линейкой, отсутствуют даже сами слова «циркуль» и «линейка», а лишь постулируется возможность проводить прямые линии и окружности (постулаты 1—3 Евклида; см. статью «Аксиомы и основные понятия геометрии» в этой книге ЭЭМ, стр. 15).

2) Решение ее может быть получено только при помощи инструмента, чертящего трансцендентные кривые. В частности, для этой цели может служить прибор для вычерчивания кривых */=arccosx, Q = aq> (спираль Архимеда) и др.

Остановимся здесь для примера на вопросе о возможности построений с помощью линейки ограниченной длины. Именно мы докажем, что конструктивные возможности линейки ограниченной длины нисколько не меньше конструктивных возможностей идеальной линейки неограниченной длины. Иначе говоря, если имеется набор инструментов, содержащий идеальную неограниченную линейку (и, возможно, еще другие инструменты, например циркуль), то, заменив в этом наборе идеальную линейку линейкой ограниченной длины /, мы получим новый набор инструментов, эквивалентный прежнему, т. е. позволяющий решать все задачи, разрешимые первоначальным набором инструментов.

Уточним прежде всего конструктивные возможности идеальной линейки и линейки длины /. Именно мы считаем, что идеальная линейка позволяет проводить прямую через две точки, находящиеся на произвольном (сколь угодно большом\) расстоянии друг от друга, т. е. позволяет соединить две точки отрезком и неограниченно продолжать этот отрезок за его концы в обе стороны. Что же можно делать при помощи линейки длины /? Естественно считать, что с помощью такой линейки можно во-первых соединять отрезком две точки, расстояние между которыми не превосходит /, и, во-вторых, можно, последовательно перекладывая линейку, неограниченно продолжать любой отрезок в обе стороны (рис. 27). Объединяя обе возможности вместе, мы можем сказать, что линейка длины I позволяет проводить прямую линию (неограниченную!) через две заданные точки, расстояние между которыми не превосходит L

Для того чтобы доказать, что линейка длины / эквивалентна идеальной (неограниченной) линейке, достаточно убедиться в том, что с помощью линейки длины I можно провести прямую, соединяющую две точки А и В, расстояние между которыми больше I. Для этого нам понадобится следующая теорема, доказательство которой читатель может найти в статье «Геометрические преобразования» (стр. 114 этой книги ЭЭМ).

Теорема. Дан угол MAN и точка Q, не лежащая на сторонах этого угла. Через точку Q проведены три прямые, пересекающие стороны угла в точках Dv D2, D3, и соответственно Ev Е2, Es (рис. 28). Обозначим через В точку пересечения прямых

Рис. 27.

EXD2 и E2DV а через С—точку пересеченая прямых E2DZ a EZD2. Тогда точки А, В и С лежат на одной прямой.

Из этой теоремы почти непосредственно вытекает требуемое построение прямой AB. Нужно провести через точку А две прямые AM и AN, весьма «близко» (т. е. на расстоянии, значительно меньшем чем /) проходящие от точки В (напомним, что с помощью линейки длины / можно проводить отрезки сколь угодно большой длины). Далее через В проведем два отрезка, пересекающие прямые AM, AN в точках Dv Е2 и D2, Е1. Проведем теперь отрезки DXEX и D2E2 и продолжим их до пересечения в точке Q (рис. 28). Проведя теперь через Q еще одну прямую, пересекающую AM и AN в точках Dz и Ей, и проводя отрезки D2EZ и DZE2, мы найдем в пересечении этих отрезков точку С, лежащую на прямой AB. Остается соединить отрезком точки В и С и продол жить отрезок ВС до точки А. Для возможности выполнения этого построения достаточно позаботиться о том, чтобы каждый из отрезков Е>ХЕХ, D2E2, D2EZ, DSF2 и ВС имел длину, меньшую /, чего легко достичь.

3.2. Построения на ограниченном куске плоскости. Несколько иного характера ограничения связаны с тем, что практически построения всегда приходится производить на ограниченном куске плоскости (скажем, на листе бумаги, на классной доске и т. п.). Эта жизненная ситуация делает интересными и нужными задачи на построение с недоступными элементами. Именно, мы будем считать для простоты, что задан ограниченный кусок плоскости, например прямоугольник П, внутри которого только и можно производить построения. Если внутри П заданы два прямолинейных отрезка, которые при продолжении пересекаются вне П, то точку пересечения соответствующих прямых называют недоступной точкой. Аналогично можно говорить о недоступной (т. е. лежащей вне П) точке пересечения прямой и окружности (окружность задается, например, некоторой своей дугой, лежащей внутри П) или двух окружностей. Можно также рассматривать недоступные прямые (определяемые двумя недоступными точками), окружности с недоступным центром и известным радиусом (быть может, радиус равен отрезку, соединяющему две недоступные точки), окружности, проходящие через три недоступные точки, и т. д.

В качестве примера рассмотрим следующую задачу.

Задача 1. Через данную точку В и недоступную точку А пересечения прямых 1Х и 12 провести прямую.

Рис. 28.

Решение легко можно получить из теоремы, приведенной на стр. 178—179. Именно достаточно повторить построение, использованное выше при проведении отрезка AB с помощью «короткой» линейки (рис. 29; ср. с рис. 28).

Можно также предложить другое решение этой задачи, основанное на использовании преобразования подобия. Именно выберем в прямоугольнике П точку О, примем ее за центр подобия и в качестве коэффициента подобия выберем число значительно меньшее единицы. Совершим теперь гомотетию1) с центром О и коэффициентом k. При этой гомотетии прямые 1г и /2 перейдут в некоторые прямые 11 и /2 (рис. 30), а точка В—в точку В'. Если коэффициент гомотетии k достаточно мал, то прямые /, и /2 пересекутся внутри прямоугольника П в некоторой точке Л'. Следовательно, прямая А'В' является образом прямой AB в рассматриваемой гомотетии и, в частности, АВ\\А'В'. Остается через точку В провести прямую, параллельную А'В'.

Это второе решение использует тот факт, что с помощью гомотетии с достаточно малым коэффициентом можно преобразовать чертеж (состоящий из данных точек и линий, а также тех точек и линий, которые нужно было бы провести для решения задачи) таким образом, чтобы он целиком уместился внутри прямоугольника П, что позволяет «в уменьшенном масштабе» провести все построение. Это соображение относится, разумеется, не только к данной задаче, но и вообще к любой задаче на построение, содержащей недоступные элементы. Иначе говоря, справедливо следующее утверждение, детали доказательства которого мы предоставляем читателю2): всякая за-

Рис. 30.

1) Определение и свойства гомотетии см. на стр. 55 и 60—61.

2) См. также книгу И. М. Яглома, Геометрические преобразования, I, Гостехиздат. М., 1955, стр. 89.

дача на построение, разрешимая (циркулем и линейкой) на неограниченной плоскости, разрешима также и в том случае, если допускаются лишь построения, производимые внутри заданного прямоугольника П. (Разумеется, если, например, в задаче требуется построить некоторую точку, расположенную вне прямоугольника П, то задача считается решенной, как только указаны две прямые, проходящие через эту точку; аналогично отрезок, не умещающийся в П, построен, если, например, внутри П найдены три отрезка, для которых искомый отрезок является четвертым пропорциональным).

Заметим, что первое решение задачи, приведенной на стр. 179, представляет интерес для геодезии. Если точка пересечения А двух отмеченных на местности прямых 1Х и /2 находится в недоступном месте (скажем, в болоте), то для проведения прямой через точку А и данную точку В можно использовать построение, показанное на рис. 29 (рис. 31). Оно удобно тем, что для его выполнения требуется только проведение прямых линий (что только и можно делать на больших участках местности— ведь циркуль с раствором в пару сотен метров практически изготовить невозможно!). Это замечание подчеркивает практическую ценность построений, выполняемых на ограниченном куске плоскости с помощью одной линейки — здесь накладываются сразу два ограничения различного характера.

Сказанное выше делает интересными построения, выполняемые не только в прямоугольнике, но также на куске плоскости произвольной формы. Например, может потребоваться выполнить построение, не проводя никаких линий в нескольких запретных зонах (озера, болота, леса). Не рассматривая в общей форме вопрос о выполнимости построений на произвольном куске плоскости, мы ограничимся решением еще одной задачи.

Задача 2. Даны две точки А и В, а также зона Ф, в которой нельзя проводить построения (рис. 32), причем прямая AB упирается в зону Ф. Найти по другую сторону зоны Ф продолжение прямой AB.

Рис. 31.

Рис. 32.

Зона Ф может быть лесом, не позволяющим произвести визуальное провешивание прямой, или горой, в которой нужно пробить прямой туннель и т. д.

Решение. Можно воспользоваться теоремой, сформулированной на стр. 178 — 179 (предоставляем это сделать читателю). Можно также провести через точку А прямую, не задевающую зоны Фив некоторой ее точке С провести прямую под углом 180° —2а, где через а обозначен угол ВАС. Тогда, отмерив на этой прямой отрезок CD = AC, мы получим точку D, лежащую на продолжении отрезка AB. Разумеется, можно предложить множество иных построений.

§ 4. Общие методы решения задач на построение на плоскости

4.1. Метод расчленения условий задачи (метод «геометрических мест»). Каждая задача на построение сводится, по существу, к нахождению по данным в задаче условиям одной или нескольких точек. Например, построение треугольника (или многоугольника) сводится к нахождению его вершин; построение окружности — к нахождению ее центра и одной лежащей на окружности точки и т. д. Между тем, имеющиеся в нашем распоряжении чертежные средства (линейка, угольник, циркуль, лекала и пр.) приспособлены, как правило, для вычерчивания линий. Поэтому при решении задачи на построение каждая точка (кроме непосредственно заданных) обычно определяется пересечением двух линий. Так, при построении треугольника ABC по трем сторонам а, Ъ и с мы определяем вершину С как точку пересечения двух окружностей: окружности с центром А и радиусом АС=Ь и окружности с центром В и радиусом ВС=а; при отыскании вписанной в заданный треугольник окружности центр ее находится как точка пересечения двух биссектрис треугольника и т. д.

В соответствии с тем, что искомая точка определяется как точка пересечения двух линий, требования, налагаемые задачей на искомую точку, обычно можно расчленить на два отдельных условия; назовем их условие и условие «v». Ни первое, ни второе из этих условий, взятое в отдельности, еще не определяет искомой точки.

Все точки, удовлетворяющие условию «jx», составляют множество точек, которое обозначим через A4. В школьной практике это множество принято называть, в соответствии с устаревшей терминологией Аристотеля1), «геометрическим местом точек», удовлетворяющих условию «{x»; в дальнейшем мы будем пользоваться более современным и более коротким термином «множество». Итак, мы

1) См. стр. 17 этой книги ЭЭМ.

обозначили через M множество всех точек, удовлетворяющих условию «jji». Точно так же, рассмотрев все точки, удовлетворяющие условию «v», мы получим некоторое другое множество точек, которое обозначим через N. Теперь нам остается только найти пересечение множеств M и N, т. е. все точки, принадлежащие одновременно обоим множествам Ж, N—это и будут все точки, удовлетворяющие обоим условиям «jji» и «v».

Проиллюстрируем сказанное несколькими примерами.

Задача 1. Провести окружность, касательную к сторонам данного угла (ABC) и притом одной из его сторон в данной точке (Е).

Для решения задачи достаточно найти центр искомой окружности S. Так как окружность »S должна касаться обеих сторон угла (условие «р,»), то центр окружности S должен лежать на биссектрисе угла ABC (рис. 33, множество М). Так как, кроме того, окружность .S должна касаться стороны AB в заданной точке Е (условие «v»), то центр окружности »S должен также лежать на перпендикуляре, проведенном в стороне AB угла ЛВС через точку Е (рис. 33, множество N).

Таким образом, искомый центр О определится как точка пересечения двух прямых M и N.

Задача, как видно из сказанного выше, всегда имеет решение, и притом единственное.

Задача 2. Пусть на плоскости заданы три точки А, В и С. Требуется найти точку, которая находилась бы на расстоянии а от точки А и на равных расстояниях от точек В и С (рис. 34).

В этой задаче искомая точка также должна удовлетворять двум условиям. Выделим их.

Во-первых, искомая точка должна находиться на расстоянии а от точки А (условие «р,»). Множество M всех точек, удовлетворяющих этому условию, является окружностью радиуса а с центром в точке А. Во-вторых, искомая точка должна находиться на одинаковом расстоянии от точек В и С (условие «v»). Известно, что множество всех точек, удовлетворяющих этому условию, представляет собой перпендикуляр к отрезку ВС, проведенный через его середину (рис. 34, множество А/).

Рис. 33.

Рис. 34.

Искомая точка должна принадлежать как первому, так и второму множеству, т. е. является точкой пересечения линий M и N. В зависимости от расположения прямой N и окружности M задача может иметь два, одно или ни одного решения.

4.2. Общая схема решения задачи на построение. Решение задачи на построение обычно содержит четыре этапа, которые мы сейчас и опишем.

1°. Анализ. Расчленение требований задачи на два отдельных условия «р.» и «v» не всегда производится просто. В сложных задачах решение начинают с так называемого анализа, в результате которого устанавливаются соотношения между искомыми и заданными элементами и определяется план решения задачи.

Анализ задачи заключается в следующем. Мы предполагаем, что задача уже решена и изготовляем примерный чертеж. С помощью этого чертежа мы внимательно изучаем требования задачи. Цель анализа заключается в том, чтобы выделить два отдельных условия щ» и «v», определяющих искомую точку. Иногда сразу выделить эти условия не удается, и тогда нужно обнаружить цепочку точек, каждая из которых может быть построена, исходя из данных задачи л предшествующих точек; завершаться эта цепочка должна искомой точкой. Для каждой из точек этой цепочки в свою очередь ищутся два условия «р> и «v», определяющие ее. При проведении анализа зачастую приходится проводить на чертеже те или иные вспомогательные линии; во многих случаях именно выбор целесообразных вспомогательных линий представляет основную трудность решения задачи. В тех случаях, когда решение не требует проведения вспомогательных линий, а искомая цепочка точек (состоящая, быть может, из одной единственной точки) и условия «р,» и «v» без труда усматриваются непосредственно, стадия анализа может быть опущена.

2°. Построение, в процессе которого в соответствии с планом решения, найденным в процессе анализа, фактически осуществляется (с помощью указанных заранее инструментов, или указанных заранее элементарных операций) нахождение искомых геометрических элементов (точек, линий или фигур).

3°. Доказательство того, что построенная фигура является искомой, т. е. что эта фигура удовлетворяет всем поставленным в условиях задачи требованиям. Стадия доказательства является строго необходимой во всех тех случаях, когда в процессе анализа мы тем или иным способом преобразовывали первоначальные условия задачи, заменяя их иными, позволяющими, осуществить построение. Задача, которую мы решаем в процессе доказательства, заключается в установлении эквивалентности этих новых условий исходным. В тех случаях, когда анализ задачи не связан с преобразованием исходных данных задачи, стадия доказательства может быть опущена.

4°. Исследование, в результате которого выясняется, в каких случаях решение задачи возможно и какое число решений задача может иметь в зависимости от заданных элементов (их числа, взаимного расположения, величин и т. д.)1).

Более подробно мы рассмотрим эти этапы на некоторых из приведенных ниже примеров.

4.3. Алгебраический метод. Условие задачи на построение может быть выражено аналитически, если исходить из соотношений между искомыми и данными элементами.

Пусть, например, дана задача: построить квадрат, площадь которого в три раза больше плошади данного квадрата.

Обозначив сторону искомого квадрата через х, а сторону данного через а, получим уравнение

его решение

(отрицательное значение корня уравнения не удовлетворяет условию задачи) дает аналитическое выражение искомого отрезка.

Аналитическое выражение задачи на построение в виде уравнения, а его решения в виде корня этого уравнения помогает найти геометрическое решение, определить, с помощью каких инструментов оно может быть выполнено (иногда это сразу можно сказать по виду полученного уравнения), облегчает исследование решения2).

Эти соображения получили свое полное развитие в аналитической геометрии, в которой геометрические исследования осуществляются средствами алгебры.

В самом начале школьного курса геометрии выполняются построения отрезков, равных алгебраической сумме данных отрезков:

х = а±Ь; х = а + Ь—c + d\ х~Ъа±2Ь и т. д.

Позже рассматривается построение четвертого пропорционального к трем данным отрезкам, выражаемого формулой

1) В качестве примера задачи, исследование которой существенно связано с числом заданных элементов, укажем известную задачу о построении я-угольника по заданным на плоскости серединам его сторон (см., например, И. М. Яглом, Геометрические преобразования, т. I, задача 13), всегда имеющую единственное решение при п нечетном и ни одного решения или бесконечно много решений при п четном.

2) См. статью «О разрешимости задач на построение с помощью циркуля и линейки» в этой книге ЭЭМ стр. 205—227.

построение среднего пропорционального двух данных отрезков: построение формулы:

и т. д. Именно к этим построениям во многих случаях сводится применение алгебраического метода к решению задач на построение.

Проиллюстрируем сказанное примерами.

Задача 1. Дан треугольник ABC. Провести прямую, параллельную его основанию и делящую пополам его площадь.

Решение. Анализ. Пусть ABC—данный треугольник (рис. 35).

Рис. 35.

Предположим, что PQ — искомая прямая. Тогда в силу подобия треугольников PAQ и ВАС имеем

откуда

Это соотношение дает нам очень простое построение: делим отрезок AB пополам (точка М) и строим прямоугольный равнобедренный треугольник AMN (^/ AMN= 90°). Тогда гипотенуза AN последнего и даст искомый отрезок:

Откладываем от точки А отрезок AP=AN и проводим PQ\\BC.

Доказательство правильности описанного построения в обратном порядке повторяет рассуждения, проведенные в «анализе».

Исследование тоже не представляет труда: решение, очевидно, всегда имеется, и притом единственное.

Рассмотрим теперь более сложную задачу.

Задача 2. Даны угол LMN (меньший 180°) и точка А на его биссектрисе MP. Требуется через данную точку А провести прямую так, чтобы точки ее пересечения со сторонами данного угла определили отрезок ВС данной длины а (задача Паппа).

Анализ. Предположим, что задача решена (рис. 36). Опишем окружность около треугольника МВС. Точку пересечения биссектрисы с окружностью обозначим через D. Соединим точки В и D. Легко видеть,

что

Из подобия треугольников следует:

или

Обозначив МА = т, BD — b, AD = x, получим, что для решения задачи достаточно найти отрезок х, определяемый уравнением

b2 = (x-\-m) X.

При этом отрезок b определится как гипотенуза треугольника BDF, один из катетов которого (BF) равен —, а прилежащий к нему острый угол (£FBD) равен , где а —исходный угол LMN (рис. 36). KD—диаметр окружности; заметим, что ~ < 90°, так как а < 180°.

Рис. 36. Рис. 37.

Построение. Прежде всего построим вспомогательный отрезок Ь. После того как отрезок b построен, строим отрезок х, пользуясь формулой

х(х + т) = Ь2.

Очевидно, отрезок х можно рассматривать как внешнюю часть секущей, равной * + т, проведенной из некоторой точки к окружности диаметра m, если длина касательной, проведенной из этой же точки к этой окружности, равна Ь. Соответствующее построение приведено на рис. 37.

Положение искомого отрезка ВС найдется теперь следующим образом. От точки А на продолжении отрезка MA откладываем отрезок AD, равный X (рис. 36), затем раствором циркуля, равным bt на прямой MN отмечаем точку В. Таким образом, BD = b. Точка В является одним из концов искомого отрезка ВС. Вторым концом будет точка пересечения прямых ВА и ML.

Доказательство опять легко вытекает из проведенного выше анализа.

Проведем исследование решения этой задачи. Очевидно, что отрезки Ь и х всегда могут быть построены, и притом однозначно, при любых a, m и а < 180°.

Решения не будет, если не будет существовать точки пересечения прямой MN и окружности радиуса Ь с центром в точке D, т. е. если

(рис. 38)

(*)

При

(**)

решение будет единственным (окружность радиуса Ь с центром в точке d касается прямой mn), а в случае

(***)

задача будет иметь два решения, причем отрезки вс и вхсх будут, как легко видеть, симметричны относительно биссектрисы mp.

Условия (*) — (***) нетрудно преобразовать так, чтобы они содержали лишь первоначально данные величины ш, а, а. Именно, поскольку х(х+т) = Ьг, т. е.

то условие (*) равносильно следующему:

или

Подставляя это неравенство в соотношение х(х + т) = Ь2, получаем

или

Наконец, так как

то окончательно имеем

Рис. 38.

Это условие эквивалентно соотношению (*), т. е. при его выполнении задача не имеет решений. Аналогично, задача имеет единственно решение при

и два симметричных решения при

§ 5. Использование геометрических преобразований при решении задач на построение на плоскости

5.1. Общие замечания. В ряде случаев в процессе преобразования исходных данных задачи могут принести пользу те или иные геометрические преобразования. Наиболее часто употребляются следующие преобразования:

1) симметрия относительно оси;

2) вращение (в частности, симметрия относительно точки);

3) параллельный перенос;

4) преобразования подобия (в частности, гомотетия);

5) инверсия.

Однако в иных случаях может оказаться полезным также использование иных преобразований, например, аффинных или проективных1).

Следует заметить, что применение геометрических преобразований к решению задач может проводиться двумя принципиально разными путями.

Один из них заключается в применении геометрического преобразования ко всему чертежу (изготовленному в процессе анализа). Благодаря преобразованию чертеж может упроститься и это облегчит решение задачи. Например, инверсия может перевести прямую в окружность или окружность в прямую, и это может оказаться существенным упрощением в решении задачи; пример такого применения инверсии читатель найдет в следующем пункте (задача 5). Аналогично могут применяться и аффинные преобразования; например, произвольный треугольник может быть с помощью аффинного преобразования превращен в равнобедренный (или даже равносторонний) треугольник, и это в ряде случаев чрезвычайно упрощает задачу. Ясно, однако, что применение движений в этом плане бессмысленно, так как движение преобразует чертеж в равный ему чертеж и никакого упрощения не произойдет.

Другой путь применения геометрических преобразований (позволяющий с успехом использовать и движения) заключается в том, что мы применяем преобразование не ко всему чертежу в целом,

1) По поводу определения и свойств всех упомянутых преобразований мы можем отослать читателя к помещенной в этой книге ЭЭМ статье «Геометрические преобразования».

а лишь к некоторой его части. В ряде случаев это позволяет каким-то образом сблизить заданные в условии задачи геометрические элементы, и тем самым найти нить к осуществлению требуемого построения. Примеры, иллюстрирующие такое применение преобразований, читатель также найдет в следующем пункте (задачи 1—4).

5.2. Примеры. Перейдем к рассмотрению задач, иллюстрирующих применение геометрических преобразований.

Задача 1. Построить треугольник ABC по основанию ВС= а, высоте AD — h и разности углов при основании, равной ф (т. е.

Решение. В этой задаче удобно использовать симметрию относительно прямой. Предположим, что задача решена, и пусть точка В' симметрична точке В относительно прямой /, проведенной через точку А параллельно стороне ВС (рис. 39). Очевидно, что = ~ Z.B, и потому £ 3 = 180° — ^ В. Далее, Z^^~Z~^ и» следовательно, Z.B'AC=Z.3 + /.* = = 180° + /_ С — /_ В = = 180°—ф. Это и дает решение задачи. Именно возьмем на плоскости отрезок ВС длины а и на расстоянии h от прямой ВС проведем параллельную ей прямую /. Построим, далее, точку В', симметричную точке В относительно прямой /. Тогда точка А может быть найдена как точка пересечения прямой / и дуги окружности, стягиваемой хордой В'С и вмещающей вписанный угол 180° —ф.

Задача всегда имеет решение (разумеется, при |ф|<180°), и притом единственное.

Задача 2. Даны две окружности Sv S2 и точка А. Построить равнобедренный треугольник ABC (АВ=АС) с данным углом ф при вершине А так, чтобы точки В и С лежали соответственно на окружностях Sx и S2.

Предположим, что задача решена (рис. 40), и повернем окружность Sl вокруг точки А на угол ф. Она займет новое положение

При этом вращении точка В окружности Sl перейдет, очевидно, в точку С окружности S2. С другой стороны, точка С должна принадлежать преобразованной окружности Sx. Таким образом, искомая точка С является точкой пересечения окружностей S2 и Sx. Таким образом, для решения задачи достаточно построить окружность S%

Рис. 39.

(для нахождения ее центра нужно построить равнобедренный треугольник АО[Ог с углом ф при вершине А) и найти точки ее пересечения с окружностью 5,

Так как две различные окружности могут иметь две, одну или ни одной общей точки и так как окружность Sl можно в любую сторону (по или против часовой стрелки) поворачивать на угол ф, то задача может иметь до четырех решений. В случае равенства окружностей S, и S2 задача может иметь и бесчисленное множество решений (если 5, совпадает с S2).

Задача 3. Даны окружность S, две ее точки А, В и прямая L На данной окружности S найти такую точку С, чтобы прямые АС и ВС отсекали на прямой I отрезок PQ данной длины т.

Анализ. Предположим, что задача решена и точка С—искомая (рис. 41). Перенесем параллельно точку А в направлении прямой / на отрезок т. Полученную точку А1 соединим с точкой Q. Тогда AA^QP—параллелограмм (ибо ЛЛ, = <ЭР, AAl\\QP) и, следовательно, AXQB = ^/тАСВ=а, где а — вписанный в окружность S угол, опирающийся на хорду AB.

Отсюда получаем такое

Построение. Перенесем точку А параллельно данной прямой / на отрезок, равный т. Полученную точку обозначим через АЛ. На

Рис. 40.

Рис. 41.

отрезке АХВ строим сегмент, вмещающий известный из условия угол а. Точку пересечения дуги сегмента с данной прямой обозначим через Q. Точку С мы теперь найдем в пересечении окружности 5 и прямой BQ.

Предоставляя самим читателям провести доказательство и исследование, укажем лишь, что в зависимости от величины и взаимного положения заданных элементов задача может иметь до четырех решений (ибо параллельный перенос точки А на отрезок m можно совершить в двух направлениях; см. рис. 42).

Задача 4. Даны точка А и две пересекающиеся прямые fug. Через данную точку А провести секущую так, чтобы отрезки ее AF и АО, заключенные между точкой А и точками пересечения секущей с данными прямыми имели данное отношение k\ -— = k.

Предположим, что прямая AG (рис. 43) дает решение задачи, т. е.

Применим к прямой / преобразование гомотетии с центром А и коэффициентом Прямая / перейдет в прямую /' и точке F будет соответствовать точка О (рис. 43). Точка О принадлежит одновременно прямым f и g; следовательно, она является их точкой пересечения. Отсюда легко получаем необходимое построение. Если прямые / и g непараллельны, то задача имеет единственное решение. Если же f\\gy то задача либо не имеет ни одного решения (/' не совпадает с g), либо имеет бесконечно много решений (/' совпадает с g).

Рис. 42.

Рис. 43.

Задача 5. Построить окружность, проходящую через две данные точки А и В и касающуюся данной прямой I (рис. 44).

Анализ. Для решения этой задачи, очевидно, достаточно найти точку касания искомой окружности и данной прямой.

Пусть окружность 5 (рис. 44) — искомая. Обозначим через С точку касания окружности .S с прямой /. Произведем преобразование инверсии1), приняв за центр инверсии одну из данных точек, например В, а радиус окружности инверсии возьмем равным AB.

При этой инверсии прямая / перейдет в окружность проходящую через центр В инверсии, а окружность 5—в некоторую прямую т, проходящую через точку А (точка А переходит в себя при инверсии) и касающуюся окружности L в точке Cv в которую переходит при инверсии точка С.

Построение. Проведя из точки А касательную m к окружности Z,, получим точку касания Сх. Прямая ВСХ пересекает данную прямую / в искомой точке С.

Доказательство правильности построения непосредственно вытекает из проведенного анализа.

Исследование. В зависимости от расположения точки А и окружности L задача может иметь два, одно или ни одного решения.

Рис. 44.

§ 6. Приближенные методы геометрических построений и их значение для практики.

6.1. Точные и приближенные решения задач на построение.

Наряду с теоретически точными решениями задачи в теории задач на построение рассматриваются и приближенные решения.

Приближенным решением задачи называется результат выполнения некоторого построения, который мы принимаем за искомое решение, сознательно допуская при этом некоторую погрешность. Само построение в этом случае называется приближенным.

Приближенные построения давно уже применяются при выполнении самых разнообразных графических работ, в том числе и расчетных.

1) Определение и свойства инверсии см. в статье «Окружности», стр. 468—474 этой книги ЭЭМ.

Объясняется это тем, что замена теоретически точных построений приближенными во многих случаях значительно упрощает техническую сторону работы, обеспечивая вместе с тем удовлетворительную для практики точность, что особенно важно в тех случаях, когда требования к практической точности невелики.

Часто приближенные построения используются при решении конструктивных задач, которые не могут быть точно разрешены при помощи имеющегося в распоряжении исполнителя набора инструментов.

Приближенными графическими способами решаются многие виды уравнений, для которых точное аналитическое решение или не может быть получено или его получение сопряжено с большими трудностями вычислительного характера.

В случае приближенного построения на суммарную погрешность фактически выполненного построения влияют не только неизбежные погрешности элементарных операций, но и погрешность выбранного способа приближенного решения задачи. Поэтому для выяснения целесообразности применения того или иного приема приближенного решения задачи необходимо оценить его теоретическую точность.

Теоретически приближенно решить задачу на построение можно с любой степенью точности. Это вытекает, например, из следующей теоремы, которую мы здесь приводим без доказательства:

Если среди заданных элементов имеются по крайней мере две различные точки, то точки, которые могут быть построены исходя из данных с помощью одного только циркуля, образуют на плоскости счетное всюду плотное множество.

Отсюда следует, что если искомое точное решение состоит в определении положения некоторой точки M (или совокупности точек) по заданным элементам, среди которых имеется по крайней мере две различные точки, то с помощью одного циркуля (и тем более с помощью циркуля, линейки и других инструментов) можно построить точку Mk, либо совпадающую с М, либо как угодно близкую к ней.

Однако практическое нахождение удобных приближенных приемов решения задач на построение иногда бывает довольно трудным.

В качестве примеров рассмотрим задачи на спрямление дуг окружностей (построение отрезка, длина которого равна длине данной дуги). Такие задачи часто встречаются в инженерной графике.

6.2. Задачи на спрямление дуг окружностей. Точное их решение с помощью циркуля и линейки, как известно из теории геометрических построений, вообще говоря, невозможно в силу трансцендентности числа я. Поэтому много внимания было направлено на отыскание достаточно простых и достаточно точных графических приемов приближенного спрямления дуг окружностей. Много внимания было уделено также более общей задаче спрямления дуг кривых

второго порядка. Приведем некоторые приемы приближенного решения этих задач.

1. Требуется графически определить длину дуги AB (рис. 45). Пусть С и D—соответственно середины дуги и хорды AB. Из точки С проведем перпендикуляр СЕ к хорде АС до пересечения его с хордой AB (точка Е). Отложим отрезок DF, равный DE.

Тогда приближенно длина дуги AB равна удвоенному отрезку AF.

Найдем погрешность этого построения. Как легко видеть,

Длина дуги точно выражается формулой AB = aR, где R—радиус дуги, а а—ее радианная мера. Мы же приближенно принимаем длину дуги AB равной

Абсолютная погрешность А по определению равна абсолютной величине разности между истинным и найденным приближенным значением искомой величины. Следовательно,

Относительная погрешность Ô будет равна

Легко проверить, разлагая тригонометрические функции в ряд. по а, что этот способ дает для не очень больших дуг а сравнительно малую погрешность ^у^а4- Для больших дуг погрешность этого построения велика. Например, приа = я имеем о = ^—1^0,061.

2. Другой способ (рис. 46) спрямления обычно применяется для дуг, меньших 40°. (Для больших дуг погрешность становится значи-

Рис. 45.

тельной.) В этом случае для спрямления дуги AB через центр О ее проводим прямую, перпендикулярную хорде AB, и от середины С дуги AB на прямой ОС откладываем отрезок CL = 3R; через точку С проводим касательную к дуге до пересечения ее с прямыми AL и BL в точках A4 и N. Длина отрезка MN и будет приближенно равна длине дуги AB.

Определим погрешность, полученную при этом способе. Так как AB=aR, то после несложных выкладок получим:

абсолютная погрешность

относительная погрешность

При малых а эта погрешность примерно равна

3. Для приближенного спрямления полуокружности могут быть использованы следующие два простых приема.

Рис. 46.

Рис. 47.

Рис. 48.

Выполнение построения для первого из них вполне понятно из рис. 47, на котором az и а4 — стороны вписанных в окружность равностороннего треугольника и квадрата. Длина отрезка ВС прибли-

женно равна длине полуокружности:

относительная погрешность 0=^0,15%.

Построение по второму способу заключается в следующем: на диаметре AB (рис. 48) строим угол СОЛ, равный 30°. От точки С в сторону точки А откладываем отрезок CD = 3R. Точки В и D соединяем. Длина отрезка BD и будет приближенно равна длине полуокружности. В самом деле, из чертежа следует:

Относительная погрешность ô=sr0,002%.

6.3. Графоаналитический метод и метод последовательных приближений. При решении задач на построение зачастую используются также данные, полученные с помощью предварительных расчетов. Соответствующий метод приближенного решения задач на построееие называют графоаналитическим методом.

Например, задача о делении окружности на п равных частей может быть решена (а на практике, в частности при разметке, часто так и решается) при помощи специально составленных таблиц хорд.

На основании предварительных расчетов часто производится вычерчивание некоторых кривых, построение точек по их координатам, например при разметке шаблонов, при выполнении чертежей для копировальных станков и т. д.

Широкое распространение этого метода объясняется тем, что в ряде случаев он дает возможность осуществить построение более просто, чем при чисто геометрическом решении; во многих случаях это — единственно возможный путь решения задачи. Теоретически погрешность самого метода (точность вычислений) может быть сделана как угодно малой.

Однако применение графоаналитического метода не всегда удобно, так как предварительные расчеты иногда оказываются слишком громоздкими.

Полезным методом приближенного решения конструктивных задач является также так называемый метод последовательных приближений. Этот метод заключается в многократном повторении некоторого основного построения, применяемого вначале к заданной совокупности элементов, а затем к фигурам, получаемым в результате предшествующих построений.

Если с увеличением порядкового номера построения абсолютные погрешности результатов неограниченно уменьшаются, то последова-

тельность этих результатов будет сходиться к искомому решению, т. е. тогда теоретически возможна аппроксимация решения с любой степенью точности.

Оценка точности построения при методе последовательных приближений обычно затруднена тем, что при построении часто приходится выполнять большое число операций. Кроме того, аналитическое определение погрешности нулевого приближения затрудняется и тем, что часто нулевое приближение выбирается более или менее произвольно.

В связи с этим обстоятельством построение обычно выполняется до тех пор, пока практически совпадут результаты двух последовательных основных построений.

Число основных построений при решении задач зависит от быстроты сходимости приближений. При удачно выбранном основном построении достаточно одного-двух приближений.

Довольно простым примером метода последовательных приближений является следующее приближенное решение задачи о трисекции угла. Как известно,

или

Следовательно, если дан угол АОВ, равный ф, то графически можно с помощью циркуля и линейки приближенно найти его третью часть с какой угодно степенью точности, выполняя лишь деление углов пополам и их сложение.

Для деления угла на 3 части с помощью циркуля и линейки можно также использовать сумму бесконечно убывающей прогрессии, первый член которой равен , а знаменатель равен —~-. Однако этот ряд сходится медленнее, чем ряд с общим членом ад = ~.

Спрямление дуг окружностей также можно выполнять методом последовательных приближений. Задача состоит в том, чтобы найти достаточно простой способ построения последовательностей периметров вписанных или описанных ломаных. Мы рассмотрим один изящный прием нахождения периметров вписанных ломаных.

Пусть AB — дуга окружности с центром в точке О, стягивающая центральный угол а (рис. 49). Примем за нулевое приближение длину хорды спрямляемой дуги AB. Затем проведем прямую AN_]_ОЛ, биссектрису ААХ угла BAN и ВЬХ _]_ AB. Биссектриса ААХ угла BAN пересечет дугу AB в ее середине (точка Сх). Итак, ВСХ — АСХ = ЬХСХ\

следовательно,

АЬх = ВСг+СхА, и первое приближение (длина ломаной ЛСХВ) будет

Р1 = АЬ1.

Второе приближение (длина вписанной ломаной, состоящей из четырех звеньев) находится аналогичным образом: проводим биссектрису АЛ2 угла AxANu через точку Ьх отрезок ö1b2 _]__ AAV Так как

то

Продолжая процесс, получим последовательность отрезков AB, Abv Ab2, . . . , сходящуюся к отрезку, длина которого равна длине спрямляемой дуги AB.

Оценим быстроту сходимости процесса. Погрешность /-го приближения равна

следовательно,

Нетрудно показать, что предел

равен

Таким образом, при повторении основного построения погрешность каждый раз уменьшается примерно в 4 раза.

Из этого построения можно вывести одну изящную формулу, впервые (аналитическим путем) установленную Эйлером. Очевидно, что

Рис. 49.

Далее /i^AN^-^r, и потому

Теперь из прямоугольных треугольников BAbu blAb2, b2Ab3t .... находим

Так как lim Abn равен длине дуги ABt т. е. равеь Rat то мы приходим (сокращая на R) к следующей формуле Эйлера:

§ 7. Геометрические построения в пространстве

7.1. Система постулатов для построений на плоскости. Постановка вопроса о геометрических построениях в пространстве отличается от постановки аналогичного вопроса на плоскости, и мы начнем с выяснения этого различия.

Геометрические построения на плоскости с помощью циркуля и линейки основаны на следующей системе постулатов:

1. Через две точки можно провести прямую.

2. Можно построить окружность, имеющую данный центр и данный радиус.

3. Можно найти точки пересечения двух уже построенных линий.

4. Можно взять произвольную точку на уже построенной линии.

Разумеется, эти постулаты не заменяют каких-либо аксиом геометрии. Они играют роль аксиом теории геометрических построений1) и определяют, какие элементы считаются построенными. Например, первый постулат отличается от аксиомы «существует единственная прямая, проходящая через две данные точки». Эта аксиома устанавливает, что такая прямая существует, а постулат построений добавляет, что ее можно провести, т. е. что после задания двух точек ее можно считать построенной.

1) Ср. со статьей «О разрешимости задач на построение с помощью циркуля и линейки», стр. 208—209 этой книги ЭЭМ.

Перечисленные постулаты отражают практику употребления чертежных инструментов — циркуля и линейки.

Решение задачи на построение (на плоскости) можно понимать двояко.

А. Решить задач у на построение — значит свести ее к цепи основных задач, возможность решения которых постулируется.

Пусть, например, требуется найти середину отрезка AB. Вот решение:

1) построить окружность с центром в точке Л, имеющую радиус AB,

2) построить окружность с центром в точке В% имеющую радиус АВУ

3) найти две точки пересечения этих окружностей,

4) провести прямую через эти точки,

5) найти точку пересечения этой прямой с AB.

Задача решена. Мы не касаемся доказательства и исследования, а рассматриваем только построение.

Само построение как чертежный процесс мы не производили, заменив его словесным описанием.

Отметим, что способы решения основных задач не требуют объяснений. Не нужно объяснять, как провести прямую через две точки. Это — основная задача, решение которой не расчленяется на более простые шаги. Ее можно решить—это обеспечивается постулатом. Вопрос, как ее решить, не рассматривается.

Б. Решить задачу на построение—значит выполнить это построение на бумаге (или на другой материальной плоскости) при помощи чертежных инструментов.

В геометрии на плоскости между точками зрения А и Б нет принципиального различия, потому что постулаты точно отражают свойства чертежных инструментов.

Если учитель задал ученику задачу на построение, то он может удовлетвориться словесным решением и не требовать вычерчивания1). В самом деле, вся трудность заключается в нахождении цепи основных задач. Если найдено решение, сформулированное словесно, то его чертежная реализация не представляет никаких затруднений.

7.2. Система постулатов для «воображаемых построений» в пространстве. В теории геометрических построений в пространстве можно предложить систему постулатов, аналогичную приведенной на стр. 200:

1. Через две точки можно провести прямую.

2. Через три точки, не лежащие на одной прямой, можно провести плоскость.

3. Можно построить сферу, имеющую данный центр и данный радиус.

1) За исключением тех случаев, когда требуется упражнение в процессе черчения.

4. Можно найти линию пересечения двух уже построенных поверхностей (плоскостей или сфер).

5. Можно взять произвольную точку на уже построенной поверхности или линии.

6. В уже построенной плоскости можно производить любые построения, допускаемые в геометрии на плоскости.

Эта система постулатов является избыточной. Мы ввели лишние постулаты (например, 3-й) для усиления аналогии с системой постулатов для построений на плоскости.

По аналогии с геометрией на плоскости можно под решением задачи на построение в пространстве считать сведение ее к основным задачам. Но здесь обнаруживается существенная разница с геометрией на плоскости. Приведенные шесть постулатов составлены по аналогии с постулатами геометрических построений на плоскости, но в отличие от последних они не выражают свойств каких-либо инструментов. На плоскости можно провести прямую карандашом по линейке, а в пространстве нельзя материальным образом провести плоскость через три точки.

Иначе говоря, на геометрические построения в пространстве не может быть точек зрения А и Б, а может быть только точка зрения А. Задачу на построение можно решить словесно, но это построение нельзя реализовать.

Выполняемые таким образом (словесно) построения называются воображаемыми построениями.

Зачем они нужны?

Во-первых, иногда построения используются для доказательства существования некоторого объекта.

Во-вторых, воображаемые построения представляют полезное упражнение и содействуют развитию пространственных представлений.

В то же время ясно, что значение этих построений меньше, чем значение построений на плоскости. Возможно и иное истолкование задач на построение в пространстве; оно будет рассмотрено в статье «Методы изображения» (стр. 288—289 этой книги ЭЭМ).

7.3. Пример. Мы рассмотрим только одну очень простую задачу для иллюстрации того, что такое воображаемые построения.

Задача. Из данной точка опустить перпендикуляр на данную плоскость.

Пусть дана плоскость а и точка M вне ее. Возьмем в плоскости а произвольную точку Р и построим сферу с центром в точке /И, проходящую через Р. Если эта сфера не имеет с плоскостью а общих точек, кроме Р, то MP—искомый перпендикуляр. Если же эта сфера пересекает плоскость а по окружности, то построим ее центр О; МО— искомый перпендикуляр.

Мы упоминали выше, что 3-й постулат лишний. Покажем, как можно решить эту задачу, не пользуясь им.

В плоскости а возьмем две произвольные точки А и В и проведем прямую а = AB. Проведем плоскость ß = MAB. В плоскости ß опустим перпендикуляр из M на а; основание этого перпендикуляра обозначим через N. В плоскости а восставим перпендикуляр к а в точке N. На этом перпендикуляре возьмем произвольную точку L. Проведем плоскость y = LMN. В плоскости у опустим перпендикуляр из точки M на прямую NL\ это и есть искомый перпендикуляр к плоскости.

7.4. Заключение. Теорию построений в пространстве можно развивать вполне аналогично теории построений на плоскости. Например, естественно поставить вопрос об общей характеристике всех задач на построение в пространстве, разрешимых на основе постулатов 1—6. Решение этого вопроса использует основы аналитической геометрии в пространстве и близко к результатам, изложенным в статье «О разрешимости задач на построение с помощью циркуля и линейки» (стр. 205 — 227 этой книги ЭЭМ).

Можно также ставить вопросы «о построениях с ограниченными средствами». Мы уже упоминали выше о том, что постулат 3 на стр. 201 является излишним и его можно отбросить. С другой стороны, можно доказать, что всякое воображаемое построение, выполняемое на основе постулатов 1—6, можно также осуществить, используя лишь постулат 3 и возможность пользования циркулем для нанесения окружностей на сферах (аналог построений Мора — Маскерони). Все эти вопросы представляют, однако, значительно меньший интерес, чем соответствующие вопросы теории построений на плоскости.

ЛИТЕРАТУРА

(1] А. Адлер, Теория геометрических построений, перев. с нем., Л., Учпедгиз, 1940.

Классическое руководство по теории геометрических построений, рассчитанное на широкий круг читателей и трактующее вопрос весьма обстоятельно (ограничиваясь, впрочем, лишь случаем построений на плоскости). Книга содержит много задач.

(2] Б. И. Аргунов и М. Б. Балк, Геометрические построения на плоскости, М., Учпедгиз, 1957.

Учебное пособие для студентов педагогических институтов.

(3] Д. И. Перепелкин, Геометрические построения в средней школе, М., Учпедгиз, 1953.

Небольшая брошюра, рассчитанная на самый широкий круг читателей; содержит довольно ограниченный материал, разобранный, однако, весьма тщательно.

(4] Н. Ф. Четверухин, Методы геометрических построений, М., Учпедгиз, 1952.

{5] Н. Ф. Четверухин, Геометрические построения и приближения, М., Учпедгиз, 1935.

В этой книге обстоятельно разработан вопрос о приближенных построениях, в первую очередь о сходящихся приближениях.

[6] И. И. Александров, Сборник геометрических задач на построение, М., Учпедгиз, 1950.

Весьма обширное собрание геометрических задач на построение, частично сопровождаемых решениями. Задачи классифицированы по методам их решения.

[7] Ю. Петерсен, Методы и теории для решения геометрических задач на построение, М., 1892.

Исторически первый сборник задач на построение, классифицированных по методам их решения. Число задач заметно уступает числу задач в книге И И. Александрова, однако методы решения охарактеризованы несколько полнее.

[8] Я. Штейнер, Геометрические построения, выполняемые с помощью прямой линии и неподвижного круга, перев. с нем., М., Учпедгиз, 1939.

Классическое сочинение, содержащее развернутую теорию построений с помощью одной линейки. Книга содержит также весьма интересно изложенный теоретический материал (свойства полного четырехсторонника, теория подобия и др.).

[9] П. Цюльке, Построения на ограниченном куске плоскости, перев. с нем., М.—Л., ОНТИ, 1935.

Небольшая брошюра, рассчитанная на широкий круг читателей; содержит много интересных примеров построений, выполняемых на ограниченном куске плоскости.

[10] Н. В Наумович, Геометрические места в пространстве и задачи на построение, М., Учпедгиз, 1956; Н. В. Наумович, Простейшие геометрические преобразования в пространстве и задачи на построение, М., Учпедгиз, 1959.

Обе книги посвящены геометрическим построениям в трехмерном пространстве.

[11] L. Bieberbach, Theorie der geometrische Konstruktionen, Basel, 1952.

Обстоятельный обзор теории геометрических построений на плоскости и на поверхности сферы; разобрано весьма большое число разнообразных комплексов инструментов и для каждого полностью охарактеризован круг разрешимых этими средствами задач. Изложение довольно сжатое, но отчетливое, доступно широкому кругу читателей.

О РАЗРЕШИМОСТИ ЗАДАЧ НА ПОСТРОЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ЦИРКУЛЯ И ЛИНЕЙКИ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................205

§ 1. Геометрическая часть теории .................. 206

1.1. Постановка задачи..................... 206

1.2. Построения циркулем и линейкой.............. 208

§ 2. Перевод задачи на алгебраический язык............. 210

2.1. Основная лемма........ .............210

2.2. Выводы...........................215

2.3. Алгебраические рассмотрения................216

2.4. Случай многочленов третьей степени............218

2 5 Теорема Гаусса.......................219

§ 3. Классические задачи....................... 220

3.1. Удвоение куба ....................... 220

3.2. Трисекция угла....................... 221

3.3. Построение треугольника по его биссектрисам....... 223

3 4. Построение правильных многоугольников.......... 225

3.5. Квадратура круга...................... 226

Литература.............................. 227

Введение

Теория геометрических построений с помощью циркуля и линейки была вызвана к жизни многочисленными безуспешными попытками решить с помощью такого построения три древние задачи: трисекции угла, удвоения куба, квадратуры круга.

Значение этой теории исторически заключается в том, что она дала одно из первых доказательств невозможности в математике, выполнив его с помощью точного обозрения совокупности объектов, которые можно построить, пользуясь только циркулем и линейкой. Оба математических результата, которые в данной теории получаются одновременно, но, вообще говоря, могут достигаться разными средствами, в математике двадцатого века играют особую роль; так, предметом новой науки — метаматематики—в значительной степени является изучение вопросов о том, какие выводы в принципе можно и какие нельзя получить, пользуясь данными средствами.

Решение основной задачи теории построений циркулем и линейкой, заключающееся в точном описании совокупности построений,

которые можно осуществить, и в описании алгоритма, который дает возможность решить всякую конкретную задачу или узнать, что эта задача неразрешима, является по существу алгебраическим; это решение не могло быть достигнуто до появления необходимых алгебраических средств. Первое их появление датируется (1796 г.) знаменитой работой юного Гаусса о правильных многоугольниках, которые можно построить с помощью циркуля и линейки. Эта работа уже содержала в зачаточном виде основы новой алгебраической теории (позже развитой замечательным французским математиком Эваристом Галуа, по имени которого ее называют теорией Галуа) для некоторых полей частного вида, причем эти алгебраические рассмотрения представляли собой как раз наиболее глубокую часть работы.

Таким образом, теория построений по существу состоит из трех частей.

Первая — чисто геометрическая—должна заключать в себе анализ понятия «построение с помощью циркуля и линейки», с тем чтобы это понятие было определено четко и недвусмысленно. (Известно, например, что утверждение о невозможности построения трети заданного угла с помощью циркуля и линейки перестает быть справедливым, если разрешить некоторые приемы использования линейки1).) Эта первая часть подготавливает почву для второй, в которой задача переводится на алгебраический язык и ставится в алгебраических терминах. Этот перевод не является чисто механической перефразировкой: он приводит к появлению новых математических объектов, которые затруднительно или невозможно было бы выразить на геометрическом языке. С другой стороны, именно появление этих новых объектов позволяет в конце концов решить задачу. Наконец, третья часть теории является собственно алгебраической, наиболее глубокой и наиболее трудной: в ней решается алгебраическая задача, к которой была приведена соответствующая геометрическая задача — теория построений.

§ 1. Геометрическая часть теории

1.1. Постановка задачи. При строгом описании понятия «построение с помощью циркуля и линейки» следует ясно представить себе ответ на три вопроса:

а) Что мы хотим построить?

б) Каковы исходные данные?

в) Какими средствами мы можем пользоваться?

Прежде всего будем иметь в виду, что все наши построения проводятся на выбранной раз навсегда плоскости.

Для ответа на первый вопрос нужно проанализировать имеющиеся в нашем распоряжении конкретные задачи. Этот анализ показывает,

1) См. выше, стр. 176.

что главной целью решения всегда является построение конечного числа точек (на плоскости). Сама по себе задача, конечно, не всегда формулируется так. Однако нетрудно проверить, что любая задача сводится к такой.

Например, для отыскания некоторой окружности достаточно построить ее центр и одну из ее точек; для отыскания прямой достаточно построить какие либо две ее точки; задача трисекции угла сводится к построению двух точек (Р, Q на рис. 1), через которые проходят прямые, делящие угол на три равные части. Задача построения треугольника (по каким бы то ни было данным) сводится к задаче построения трех его вершин. Вообще задача построения многоугольника (в частности, квадрата, равновеликого кругу) сводится к задаче построения его вершин; но дополнительно нужно указать, какие отрезки, соединяющие, пары точек, должны входить в число сторон многоугольника. (Рис. 2, на котором изображены два разные многоугольника с одними и теми же вершинами, показывает, что без этого указания ответ не может быть определен однозначно.) Задача удвоения куба сводится к задаче построения двух точек, отстоящих друг от друга на заданное расстояние (ребро куба, объем которого вдвое больше объема данного куба). Читатель может сам умножать количество примеров. В принципе, разумеется, могут быть задачи, для решения которых нужно в каком-то смысле найти бесконечно много точек (например, построить эллипс с заданными полуосями). Однако если они не сводятся к задаче об отыскании конечного числа точек, мы не станем их рассматривать.

Мы не станем также заниматься вопросом о дополнительных сведениях, которые нужно получить, когда искомая конечная система точек построена (например: указать пары точек, являющиеся смежными вершинами искомого многоугольника). Обычно эти сведения получаются прямым геометрическим рассмотрением чертежа.

Итак, мы принимаем следующий ответ на вопрос: а) целью любой задачи на построение является указание конечного числа точек на плоскости.

Рис. 1.

Рис. 2.

Теперь ответ на вопрос б) напрашивается сам собой: в качестве первоначальных данных у нас также должна иметься конечная совокупность точек на плоскости. В самом деле, для задания угла достаточно задать его вершину и две точки на сторонах; для задания окружности достаточно задать три ее точки или центр и одну точку; для задания квадрата достаточно задать его вершины и т. п.1).

Итак, мы принимаем следующий ответ на вопрос б): исходными данными любой задачи на построение является система конечного числа точек на плоскости.

1.2. Построения циркулем и линейкой. Перейдем теперь к вопросу в). Ответ на этот вопрос заключается в самом названии статьи: построение должно осуществляться с помощью циркуля и линейки. Следует лишь уточнить, что мы имеем право делать с помощью циркуля и линейки.

Удобно описать процесс построения индуктивно. Мы начинаем с конечного числа точек на плоскости и хотим получить конечное число точек на плоскости; процесс построения состоит в том, что к уже имеющейся системе точек мы добавляем по известным правилам еще некоторые, а затем отбираем среди всех получившихся точек те, которые доставляют решение нашей задачи. Вторая часть, конечно, определяется спецификой задачи; нас интересует сейчас, по каким правилам добавляются точки.

Назовем шагом построения добавление одной новой точки к уже имеющимся. Отыскание этой новой точки производится в результате проведения некоторых операций; по определению, в построении циркулем и линейкой шаг может состоять только из следующих операций (причем операции 1 и 2 могут применяться несколько раз, а операция 3—один раз).

1. Проведение прямой через пару точек имеющейся совокупности. (Эта совокупность является результатом предыдущего шага или представляет собой первоначально заданную систему точек.)

2. Проведение окружности с центром в одной из точек имеющейся совокупности и проходящей через некоторую другую точку этой совокупности.

(Такие прямые и окружности мы назовем построенными на базе имеющейся совокупности точек.)

3. Выбор одной точки пересечения построенных прямых и окружностей между собой и добавление этой точки к имеющейся совокупности.

1) Если в качестве данных может быть указано бесконечно много точек, не сводящихся к точкам конечной совокупности прямых и окружностей, это резко расширяет область разрешимых задач. Например, задание кривой, являющейся графиком функции у = х* (и даже любой ее дуги), позволит затем с помощью циркуля и линейки решить задачу об удвоении куба.

Вместо операции 3, которая представляет собой выбор определенной точки, иногда оказывается необходимым пользоваться операцией

3а. Выбор произвольной точка и добавление ее к имеющейся совокупности.

Следует уточнить здесь употребление слова «произвольный». По определению это означает, что точку можно «произвольно» выбирать либо на некотором отрезке прямой, либо на дуге окружности, либо же в части плоскости, ограниченной отрезками или дугами, и, возможно, уходящей в бесконечность. При этом все фигурирующие прямые и окружности должны быть построены на данном шаге, а концы отрезков и дуг должны быть точками имеющейся совокупности. Можно считать, конечно, что «произвольная» точка не должна лежать на концах отрезков и дуг или на границе упомянутой части плоскости.

Построением с помощью циркуля и линейки называется последовательность, состоящая из конечного числа описанных шагов.

Еще раз подчеркнем, что при таком определении часть реального геометрического содержания данной задачи может остаться в стороне. Например, останется в стороне вопрос о сведении данной задачи и желаемого ответа к построению конечного числа точек и о выборе из построенной совокупности точек, необходимых для окончательного решения задачи; останется в стороне также выяснение вопросов типа: какие из построенных точек являются смежными вершинами в искомом многоугольнике, и т. п. Эти вопросы относятся скорее к «анализу построения», а не к решению проблемы о выполнимости требуемого построения.

Итак, пусть задана некоторая конечная совокупность точек на плоскости; мы считаем, что точку А можно построить (с помощью циркуля и линейки), если существует такое построение, что (независимо от промежуточных «произвольных» выборов точек!) система точек, полученная в результате этого построения, содержит точку Д. Задачу на построение мы считаем разрешимой, если совокупность точек, которые следует найти для решения этой задачи, состоит только из таких точек, которые можно построить с помощью циркуля и линейки.

Теперь мы можем сформулировать и «основной вопрос теории построений с помощью циркуля и линейки». Дано конечное число точек на плоскости. Какие точки можно построить, исходя из них?

Мы уже упоминали, что имеется точный ответ на этот вопрос (т. е. условия, необходимые и достаточные для возможности построения точки); существенную роль играет также частичный ответ, указывающий необходимые условия для того, чтобы точку можно было построить.

§ 2. Перевод задачи на алгебраический язык

2.1. Основная лемма. Нам понадобятся некоторые сведения из теории полей: определение числового поля, конечного расширения и степени конечного расширения. Все эти сведения можно найти в статье «Кольцо многочленов и поле рациональных функций» из кн. 11 ЭЭМ.

Кроме того, мы будем предполагать, что читатель знаком с геометрическим изображением комплексных чисел точками плоскости, при котором число a + bi (a, b— вещественные числа) изображается точкой с координатами (а, Ь) в фиксированной раз навсегда прямоугольной системе координат.

Это изображение будет играть в дальнейшем основную роль. Именно мы отождествим плоскость, на которой проводятся все наши построения, с полем комплексных чисел. Говоря о сложении, умножении и других алгебраических операциях над точками, мы будем иметь в виду соответствующие операции над числами, которые изображаются этими точками. Описание всех точек, которые можно получить из данных посредством построения циркулем и линейкой, равносильно описанию всех отвечающих этим точкам чисел. Мы даже будем говорить, например, о принадлежности точки к некоторому полю и т. п.

Итак, пусть в числе данных задачи содержится задание двух точек на плоскости. Выберем одну из этих точек в качестве начала координат 0, второй припишем координаты (1, 0) (т. е. число 1). (Кроме этих двух точек, в данные задачи могут входить еще некоторые другие точки.) Проведем в точке 0 перпендикуляр к прямой, соединяющей 0 и 1, и отложим единичный отрезок по нему от начала координат. Все эти построения осуществляются с помощью циркуля и линейки; результатом построения является некоторая декартова система координат, которую мы и будем использовать для сопоставления с точками комплексных чисел.

Теперь мы рассмотрим какое-нибудь одно (совершенно произвольное) построение циркулем и линейкой. В процессе этого построения строятся совокупности точек. Символом Ап мы обозначим совокупность п точек, которая получается на очередном шаге построения. Следующий шаг, тем самым, состоит в добавлении к совокупности Ап еще одной точки, т. е. в переходе к совокупности Ап+1. Обозначим символом Кп наименьшее подполе поля комплексных чисел, содержащее число i, все числа из совокупности Ап и вместе с каждым числом содержащее сопряженное к нему число. Первым важным результатом является следующая основная лемма, устанавливающая связь между геометрическими операциями над точками и алгебраическими операциями над соответствующими им числами.

Лемма, а) Любую точку поля Кп можно построить циркулем и линейкой, исходя из совокупности точек Ап.

б) Если переход от совокупности Ап к совокупности Ап + Х состоит в добавлении точки, полученной пересечением пары прямых, пары окружностей или прямой с окружностью, построенных на базе точек Ап,толибо Кп + Х = Кп,либоКп + х = Кп(Уz), где число z принадлежит полю Кп и не является в нем полным квадратом. При этом для любого такого числа z можно построить циркулем и линейкой число Y z.

в) Если переход от совокупности Ап к совокупности Ап+1 состоит в добавлении точки, лежащей на данном отрезке прямой или на данной дуге окружности, или в данной области плоскости, то эту точку можно выбрать так, чтобы было Kn+, = Kn(Vz). где г£Кл

Доказательство. Начнем с утверждения а). Пусть zv . .., zn — все точки из совокупности Ап (которые, как и раньше, мы будем отождествлять с соответствующими комплексными числами). По определению поля Кп любой его элемент получается из чисел {, zv . .., z в результате конечного числа операций сложения, вычитания, умножения, деления и взятия сопряженного числа. Поэтому достаточно установить следующий результат: если даны две точки х, у, то с помощью циркуля и линейки можно построить точки —х; х + у\ х\ л:“1; ху. (Возможность построить число i мы уже отмечали: напомним, что среди чисел zv .. ., zn содержится единица — она была выбрана из начальных данных.)

Но э го г результат проверяется вполне элементарно. В самом деле, для построения точки —х нужно провести через О и х прямую и циркулем отложить отрезок от О до х на этой прямой по другую сторону от точки О (рис. 3). Для построения точки х + у нужно провести через точку х прямую, параллельную Oy, а через точку у — прямую, параллельную Од: (рис. 4). Их пересечение и даст х + 3/. если эти прямые не совпадают, т. е. если точки х, у, О не лежат на одной прямой. Если же эти три точки лежат на одной прямой,

Рис. 3. Рис. 4.

то задача снова сводится к откладыванию (циркулем) данных отрезков на данной прямой. Для построения точки х“1 достаточно построить отдельно ее аргумент и модуль. Построение аргумента сводится к проведению окружности, проходящей через точку х, с центром в начале координат, отысканию ее точек пересечения с прямой 01 и к откладыванию дуги от одной из этих точек до точки X в другую сторону по окружности (это даст х, рис. 5). Построение —это построение четвертого пропорционального к отрезкам |лг|, 1, 1. Хорошо известно, как его строить циркулем и линейкой. Затем полученный отрезок I*]“1 нужно отложить по прямой Ох от точки 0 в сторону точки X (рис. 6). Наконец, построение точки ху сводится совершенно аналогичным образом к построению суммы двух углов (аргументов точек х, у) и к построению отрезка \ху\, т. е. четвертого пропорционального к отрезкам 1, | je|, \у\ (рис. 7).

Мы доказали таким образом, утверждение а) нашей теоремы. Доказательство утверждения б) удобно начать со второй его части, т. е. установить, что если дана точка z (и, разумеется, точка 1), то можно Циркулем и линейкой построить (оба значения) Читателю уже должно быть ясно построение: нужно разделить аргумент точки z пополам и отложить отрезок длины |/| z | (среднее пропорциональное между отрезками \z\ и 1; оно строится циркулем и линейкой) от точки 0 в обе стороны по прямой, угол наклона которой к действительной оси 01 равен половине аргумента числа z (точки M и N на рис. 8).

Несколько труднее установить первую часть утверждения б). Прежде всего мы должны научиться записывать уравнения прямой и окружностей на комплексной плоскости. Можно, однако, на время условиться разделять вещественные и мнимые части комплексного числа, обозначая их символами X, Y. (Это и будут координаты со-

Рис. 5. Рис. 6

ответствующей точки.) Уравнение прямой, проходящей через две точки [х1% ух) и (х2, у2) совокупности Лп, запишется в виде

т. е. в виде

aX+bY + c = 0%

где коэффициенты а, 6, с легко вычисляются через координаты точек (xv j/t), (л:,, у2). Далее, уравнение окружности с центром в точке (d, е) из совокупности Ап, проходящей через некоторую точку (ху у) этой совокупности, можно записать в виде

(2)

Коэффициенты уравнений (1) и (2) — вещественные числа. Мы утверждаем прежде всего, что все они принадлежат полю Кп. Для доказательства этого достаточно заметить, что вместе с любым числом X в поле Кп содержится также его вещественная часть Rex и мнимая часть \тху потому что Rex = —^—, Im х = 2 . Числа же а, Ь, с, d, е, г2 в уравнениях (1) и (2), как мы видели выше, рационально выражаются через действительные и мнимые части координат точек из совокупности Ап.

Рис. 7 Рис. 8.

Теперь для отыскания точек пересечения мы должны решить (в вещественных числах!) одну из трех систем уравнений:

выбрать одно решение этой системы и присоединить полученные числа Х% Y к полю Кп — итогом и будет поле Кп+1. Проверка этого утверждения получается прямо с помощью определений, с использованием того факта, что если в поле Кп+1 содержатся вещественные числа а, Ь, то содержатся также и числа а ± Ы.

Но, очевидно, решение первой системы уравнений принадлежит полю Кп; другими словами, в этом случае Кп + 1=Кп. Решение же двух других систем сводится к решению одного квадратного уравнения с коэффициентами в поле Кп1). Присоединение корня этого уравнения к полю сводится к присоединению корня квадратного из дискриминанта этого уравнения. Если дискриминант z является полным квадратом, то Кп+1 = Кп. В противном случае Кп+1 = Кп(Yz). Утверждение б) доказано2).

Остается теперь проверить утверждение в). Мы покажем даже, что точки, удовлетворяющие условию в), всюду плотно лежат на отрезках и дугах.

Пусть дан отрезок прямой, соединяющий две точки х,у из поля Кп. Тогда середина этого отрезка также принадлежит полю Кп, потому что она представляет собой точку •

Применяя это рассуждение к получившимся двум половинам отрезка, затем к его четвертям и т. д., мы получаем, что внутри любого отрезка прямой, взятого между точками л;, у, содержится точка из поля Кп. Тем самым установлено, что произвольный выбор точки на отрезке прямой, проходящей через две точки из поля Лп, всегда можно осуществить, не выходя за пределы этого поля.

Пусть теперь дана окружность С, построенная на базе совокупности точек Лп, и на ней выделена дуга L, концами которой являются

1) В случае последней системы полезно предварительно заменить ее системой, состоящей из первого уравнения и линейного уравнения, получаемого почленным вычитанием наших двух уравнений.

2) Заметим, что отсутствие вещественных решений у соответствующей системы уравнений означает, что очередной шаг данного построения циркулем и линейкой не может быть проведен по некоторой «грубой* причине, примером которой может служить невозможность построения треугольника, одна из сторон которого больше суммы двух других.

точки, принадлежащие совокупности Ап. Как мы видели выше, уравнение рассматриваемой окружности С, построенной на базе системы точек Аю можно записать в виде (2), где d, е и г2 — действительные числа, принадлежащие полю Кп. Далее, любое рациональное число k принадлежит полю Кп (ибо \Ç.Kn). Будем теперь рассматривать всевозможные точки пересечения окружности С с прямыми, параллельными оси абсцисс и расположенными на рациональном расстоянии от этой оси, т. е. с прямыми Y=k, где k — произвольное рациональное число. Ясно, что эти точки пересечения всюду плотно расположены на окружности С и, в частности, на дуге L. Но каждая такая точка пересечения имеет в качестве своих координат X, Y решение системы

и потому, как мы видели выше, эта точка пересечения принадлежит полю вида Kn(Yz), где г£Кп. Итак, выбор «произвольной» точки на дуге L всегда можно осуществить так, чтобы выбранная точка принадлежала полю Kn(Vz), и потому либо Кп+1=Кп. либо f(a+l = Ka{V~z), где zçKn.

Разобрать случай, когда нужно выбирать точку внутри области, частично ограниченной прямыми и дугами, не представляет труда. Достаточно, например, заметить, что внутри области всегда можно найти точку с рациональными координатами, т. е. точку, принадлежащую полю Кп.

Таким образом, наша лемма полностью доказана.

2.2. Выводы. Доказанная только что лемма в некотором смысле решает основной вопрос теории построений с помощью циркуля и линейки, сформулированный в конце § 1. Для точной формулировки ответа введем несколько новых понятий.

Обозначим буквой А систему заданных точек, а буквой К — поле, соответствующее этой системе (напомним, что оно содержит заданные точки, число I и все сопряженные ко всем своим элементам; притом это поле является наименьшим с указанными свойствами). Для любого поля L его квадратичным расширением назовем поле вида L(y z), где число z Ç L не является полным квадратом в поле L. Назовем конечное расширение К' поля К допустимым, если оно получается из поля К в результате конечной цепочки квадратичных расширений:

Теперь ответ на основной вопрос теории построений можно сформулировать так:

Для того чтобы точку z можно было построить циркулем и линейкой, исходя из совокупности точек А, необходимо и достаточно, чтобы точка z содержалась в некотором допустимом расширении поля К. Этот результат представляет собой простую перефразировку доказанной выше основной леммы.

Теперь следует разобраться в том, как применять этот результат к конкретным геометрическим задачам.

Для возможности такого применения следует прежде всего решить соответствующую алгебраическую задачу. Это означает, что мы должны считать искомые точки (т. е. те, которые нужно построить) неизвестными и составить для них систему уравнений, исходя из условий задачи (в коэффициенты этих уравнений войдут числа, соответствующие данным точкам). После этого мы должны либо суметь записать корни уравнений (т. е. искомые точки) в виде некоторых выражений, содержащих в конечном числе операции сложения, умножения, деления и извлечения квадратного корня, примененные к первоначально заданным числам, либо установить, что таких выражений не может существовать.

В первом случае мы сможем затем геометрически получить ответ на задачу, строя с помощью циркуля и линейки корни нашей системы уравнений.

Гораздо интереснее второй случай, потому что мы сталкиваемся здесь с вопросом нового типа: как установить, что корни данной системы уравнений не принадлежат допустимому расширению данного поля!

2.3. Алгебраические рассмотрения1). Ответ на поставленный вопрос не прост. Больше того, если не накладывать никаких ограничений на систему уравнений, которая может получиться в результате, то даже не удастся высказать никаких общих соображений по этому поводу. Мы поэтому наложим следующее условие на рассматриваемый класс задач: их решение должно сводиться к решению системы уравнений вида

(3)

где X,-—неизвестные точки, a F,-—многочлены от переменных коэффициенты которых входят в поле К, соответствующее заданной первоначально системе точек. (Задачи трисекции угла и удвоения куба принадлежат к этому типу; задача квадратуры круга не принадлежит Об этом мы еше скажем позже)

Если геометрическая задача правильно поставлена, в частности если начальных данных достаточно, то она должна допускать только конечное число ответов. В алгебре доказывается, что тогда систему уравнений (3)

1) Этот пункт рекомендуем при первом чтении статьи пропустить и перейти сразу к п 2.4. Ущерба для понимания геометрической части статьи при этом не произойдет.

можно значительно упростить, сведя се методом исключения к виду

(4)

где на этот раз Ф,-(*,-) — многочлены с коэффициентами в поле/С, каждый из которых зависит лишь от одной переменной Правда, при этом степени многочленов Ф, могут значительно вырасти в сравнении со степенями многочленов F/ и, что еще хуже, у системы (4) могут появиться новые решения. Но первое затруднение имеет значение лишь при практическом счете, а второе мы не будем принимать во внимание, как прежде, считая, что если мы разберемся в возможности построения корней системы (4), то отобрать из них решения, дающие ответ геометрической задачи, будет уже делом доступным.

В свою очередь, построение корней системы (4) сводится к построению корней многочленов от одной переменной с коэффициентами в поле К. Пусть Ф(х)—такой многочлен. Если нам удастся разложить его на два множителя Ф (х) = Ф1 (х) Ф2 (*), ни один из которых не является постоянной величиной, и оба эти множителя имеют коэффициенты из поля К, то достаточно будет изучить вопрос о построении корней каждого из этих множителей в отдельности. Многочлен Ф(х), который нельзя разложить на множители таким образом, называется неприводимым над полем /С. (Если ясно, какое поле К имеется в виду, мы будем иногда для краткости называть такой многочлен просто неприводимым.) Следует, однако, отчетливо понимать, что неприводимость многочлена существенно зависит от поля, над которым этот многочлен рассматривается. Над полем комплексных чисел, например, любой многочлен выше первой степени приводим,—этот результат ранее часто называли «основной теоремой алгебры».

Из всего сказанного вытекает, что при принятых ограничениях мы пришли к следующему вопросу. Дан неприводимый многочлен с коэффициентами в поле /С. Содержатся ли его корни в некотором допустимом расширении поля /С?

Вопрос не вполне четко поставлен: некоторые корни, казалось бы,, могут содержаться в допустимом расширении, а другие нет. Здесь, однако, предположение неприводимости позволяет установить следующий важный1 результат.

Теорема 1. Если один из корней неприводимого многочлена над полем К принадлежит допустимому расширению поля К, то и остальные корни принадлежат допустимому расширению.

(Отсюда, конечно, следует, что если хоть какой-нибудь из корней этого многочлена не принадлежит допустимому расширению, то и все остальные обладают этим же свойством.)

Мы не сможем привести здесь доказательства этой теоремы в общем случае. Оно требует введения довольно трудных алгебраических понятий и по существу принадлежит к теории Галуа. При разборе конкретных примеров, однако, нам будут встречаться главным образом неприводимые многочлены третьей степени. Для этого простейшего случая мы ниже докажем теорему 1, тем самым оправдав возможность ее последующих применений.

Читателю следует внимательно отнестись к логической структуре рассуждений, связанных с этой теоремой. В качестве следствия из нее в п. 2.5 мы получим важный результат, который уже можно будет непосредственно применять к доказательству неразрешимости геометрических задач.

2.4. Случай многочленов третьей степени. Пусть Ф(л:) = = Xs -f- рх2 + 4х + г — неприводимый многочлен третьей степени с коэффициентами в поле К, т. е. такой многочлен, что его нельзя разложить в произведение двух многочленов с коэффициентами из поля К, один из которых имеет степень 1, а другой—степень 2. Мы докажем ниже, что ни один из его корней не может принадлежать допустимому расширению К. Но сначала покажем, что справедлива следующая

Теорема Г. Если один из корней многочлена Ф(х) принадлежит некоторому допустимому расширению поля К, то два других корня также принадлежат допустимому расширению1).

Доказательство. Пусть цепочка квадратичных расширений

выбрана так, что ее длина (т. е. число п) является наименьшей возможной из всех длин цепочек, приводящих к допустимым расширениям поля /С, которые содержат какой-нибудь корень многочлена Ф. Из неприводимости многочлена Ф следует, что п^\. Соответствующий корень (содержащийся в поле К') обозначим символом хх = а + Ь уНг, где Кп= (j/~z); a, ft, г£КПяя1. Так как я, € то Ь=?=0. Имеем теперь

где Ф1 и Ф2 — некоторые многочлены от трех переменных с коэффициентами в поле К. Поэтому числа Ф1 (а, ЬУ z) и Ф2(а, z) финадлежат полю Кп„х\ тогда из первого равенства вытекает, что Ф, (а, Ь% г) = Ф1(а, Ьч *)=0 (потому что у z£ К„_,), a из второго вытекает, что Ф (а — b )/г) = 0. Тем самым показано, что число х2=-а—b V z Ç Кп является другим корнем уравнения Ф(л:) = 0 -(отличным от xv так как b ф 0). После этого найти третий корень уже совсем нетрудно:

—p — (xl+x2) = —[j — 2a.

Очевидно, он тоже принадлежит допустимому расширению Кп. Теорема доказана.

Заметим, что достаточно добавить к этому доказательству одну фразу, чтобы установить справедливость следующего предложения.

1) В самом простом, но важном случае, огда p = q = 0, это совсем легко доказать. Действительно, гогда х2 = ех1, x3 = ezxlt где е =--- первообразный корень третьей степени из единицы. Число е, очевидно, принадлежит допустимому расширению поля К\ следовательно, числа гхх и г2хх также принадлежат допустимому расширению. В общем случае доказательство несколько сложнее.

Теорема 2'. Если Ф(х)— неприводимый многочлен третьей степени с коэффициентами из поля К, то ни один его корень не принадлежит допустимому расширению поля К.

В самом деле, х3= —р — 2а £ Kn~v что противоречит определению числа п (напомним, что п^\, и потому поле Кп_х определено).

Таким образом, изложенное доказательство теоремы Г оперирует с пустым множеством объектов: многочленов третьей степени, удовлетворяющих условию георемы \', вообще не существует!

Тем не менее, конечно, никаких логических несообразностей наши рассуждения не содержат: «условная» теорема Г сохраняет свою силу независимо от отрицательного результата теоремы 2' и мы выделили отдельно эту теорему, поскольку она показывает, какие соображения применяются для доказательства теоремы 1 в общем случае. С другой стороны, указанный способ доказательства теоремы 2' не поддается обобщению на случай произвольной степени, и сама эта теорема заменяется более сложной по форме теоремой Гаусса (см. теорему 2, п. 2.5).

2.5. Теорема Гаусса. Мы назовем так следующую теорему, которую выведем из теоремы 1 п. 2.3.

Теорема 2. Если корни неприводимого над полем К многочлена Ф (х) принадлежат допустимому расширению, то степень этого многочлена равна 2п, где п^\ — некоторое целое число.

Из этой теоремы снова следует, что корни неприводимых многочленов степени 3 вообще не могут принадлежать допустимым расширениям, потому что Зф2п ни при каком целом значении п1).

Хотя в формулировке теоремы 9 участвуют такие понятия, как многочлен и его корни, появляющиеся в результате непосредственных подсчетов, в доказательстве удобно работать не с отдельными числами, а с полями. Дело здесь обстоит так же, как и в доказательстве основной леммы п. 2.1

Для переформулировки условия теоремы на языке теории полей возьмем какой-нибудь один корень fi многочлена Ф(х) и рассмотрим расширение К (0) поля К Ясно, что если ВС К\ то и К (fi) с А' Обратное утверждение тоже, очевидно, справедливо. Поле К (fi) удобно тем, что в его терминах нетрудно выразить и понятие степень многочлена Ф(\)»: она просто совпадает со степенью конечного расширения (/< (fi)?/C). [Напомним, что это означает. Любое конечное расширение L поля Л' является линейным пространством конечной размерности2) над этим полем. Иначе говоря, существуют такие п элементов ... , \n£L, образующие базис поля Л над полем /С, что любой элемент X поля L представляется однозначно в виде X = k^\x-\-... -\- knXn. гае ... , kn£K Число и называется cmепенью расширения и обозначается символом (L\К) В случае, когда L = в качестве элементов К, всегда можно взять просто степени числа 0, т. е. элементы 1=9°, 9, ... , 9“-1, где п — степень многочлена Ф (х).]

1) При первом чтении статьи рекомендуем после чтения этого места обратиться к геометрическим следствиям (§ 3).

2) См. статью «Векторные пространства и линейные преобразования» в кн. II ЭЭМ.

Теперь мы можем следующим образом переформулировать теорему 2: если расширение LzzK поля К содержится в допустимом расширении поля К. то степень {L:К) равна 2“, где п^\ — целое число1).

Нам понадобится следующий простой результат. Пусть KcLcM — цепочка конечных расширений Положим / = (L:/0, m = (M:/(), п = (М:L) Тогда

m — In (5)

Доказывают это равенство обычно следующим образом. Пусть Xlt ... Д, — базис поля L над полем /С; jxlt ... , \in—базис поля M над полем L. Тогда элементы {kx\ilt A,ju.2, ... ^i\in* ...годц, ..., ^;ц,„), т. е. совокупность всевозможных попарных произведений Ä,,u,y, образуют базис поля M над полем /С. Но количество элементов в этом базисе, совпадающее со степенью (М ;К) = т, в точности равно In.

Из равенства (5) уже сразу следует теорема 2. В самом деле, пусть L = К (Y~z) — квадратичное расширение поля К. Тогда степень его равна в точности 2, потому что в качестве базиса расширения L над К можно взять элементы (1, Y~z). Поэтому степень любого допустимого расширения

равна (в силу соотношения (5)) 2т. Но тогда степень (L:K) любого расширения L поля /(, содержащегося в допустимом расширении /(', должна (снова из-за соотношения (5)) делить число 2т. Поэтому (L:/C) = 2n, Теорема 2 доказана.

§ 3. Классические задачи

3.1. Удвоение куба. Теперь мы уже можем применить развитую общую теорию к ряду геометрических задач. Наша основная цель состояла в том, чтобы научиться доказывать неразрешимость некоторых задач, т. е. невозможность построить ряд геометрических объектов с помощью циркуля и линейки. В соответствии с этим и подобраны примеры.

Главным нашим инструментом будет теорема 2. Ход исследования всякой задачи следующий: мы переводим ее на алгебраический язык, составляем уравнения для искомых точек, выясняем их степень и неприводимость. Если степень не равна 2“, а многочлен неприводим, то искомую точку (см. теорему 2), нельзя построить с помощью циркуля и линейки, так что соответствующая задача на построение неразрешима2).

1) В такой формулировке этот результат представляется даже более сильным — заранее совсем неочевидно, что всякое конечное расширение L3/< имеет вид L = /C(8), где 8—корень неприводимого многочлена. Это, однако, можно доказать. Нам это утверждение не понадобится, потому что из доказательства переформулированной теоремы 2, во всяком случае, теорема 2 сразу же следует.

2) Читатель, ограничившийся ранее изучением теорем Г и 2', будет рассуждать так: если многочлен неприводим, а его степень равна трем, то искомую точку, как явствует из теоремы 2', нельзя построить с помощью циркуля и линейки, так что соответствующая задача на построение неразрешима. Это позволяет полностью понять приведенные в тексте задачи 1, 2, 3.

Задача 1. Задан куб (длиной своего ребра). Требуется построить другой куб (т. е. его ребро), объем которого вдвое больше объема данного куба.

Начало исследования очевидно. Даны две точки (ребро куба). Как обычно, принимаем их за точки 0 и 1 на комплексной плоскости. Длина ребра удвоенного куба равна вещественному значению \/2; для построения точки jJ/2 мы должны изучить многочлен л:8 — 2. Степепь его равна трем, и если он неприводим над основным полем f(=Q(i) (Q—поле рациональных чисел), то задача удвоения куба неразрешима. Докажем, что многочлен хг—2 действительно неприводим.

Если бы многочлен х9—2 был приводим над полем Q(/), то один из множителей обязательно был бы первой степени. Если бы соответствующий корень не был вещественным, то выделился бы и другой множитель первой степени с сопряженным корнем, а оставшийся третий множитель был бы линейным и имел бы уже вещественный корень. Это рассуждение применимо к любому многочлену третьей степени с вещественными коэффициентами: если такой многочлен приводим над полем (?(/), то один из множителей линеен и имеет вещественный, а следовательно, даже рациональный корень.

Но многочлен Xs — 2 не имеет рационального корня, потому что единственное вещественное значение у 2 иррационально.

Напомним доказательство этого факта. Допустим, что î/^ = p!q, где р, # —взаимно простые целые числа. Тогда ps = 2q*, так что число р должно быть четным; пусть р = 2рх, тогда 4p\ — qz а, следовательно, число q тоже должно быть четным, а это противоречит тому, что р и q взаимно просты.

Интересно, что на последней стадии решения геометрической задачи нам пришлось воспользоваться даже чисто арифметическими соображениями, хотя пока и не очень сложными!

3.2. Трисекция угла. Задача 2. Дан угол ср; построить угол -g-ф.

Задать угол ф — значит задать три точки: точку 0 — его вершину, точку 1 на одной из сторон, которую мы примем за вещественную ось, и точку z, лежащую на другой стороне и имеющую модуль |z|=l (рис. 9). Очевидно, z= cos ф + i sin ф. Таким образом, поле Ку соответствующее заданной системе точек, имеет вид

Рис. 9.

К = Q (/, cos ф + / sin ф). Построить угол --значит построить число cos -j~—(- L sin ~- или, что равносильно, построить число cos^y- . В силу известных формул тригонометрии,

или

Таким образом, число cos ~- является корнем уравнения

4xs — Sx—-со5ф = 0. (6)

Итак, мы должны построить корень уравнения (6).

Перед нами снова многочлен третьей степени; мы должны разобраться, приводим ли он над полем K=Q(i, cos ф + / sin ф). При некоторых значениях ф он, безусловно, приводим; например, при

ф“, K=Q(i):

Это соответствует хорошо известному обстоятельству: прямой угол можно разделить на три равные части с помощью циркуля и линейки (при желании читатель может осуществить «алгебраически» это построение, решив уравнение 4л*2 — 3 = 0 и построив его корни).

Можно придать точный смысл следующему утверждению, устанавливающему в некотором смысле противоположный результат: при общем значении ф многочлен 4х* — За: — cos ф не приводим над полем К = QU, cos ф-Msin ф).

Слово «общий» в этой фразе можно определять разными способами; обсуждение этих способов и доказательство завели бы нас слишком далеко. Поэтому ограничимся указанием конкретного значения угла ф, который нельзя циркулем и линейкой разделить на три равные части. Это — угол ф = —. Для доказательства следует установить, что при ф = -^- многочлен, стоящий в левой части уравнения (6), неприводим над полем

т. е., что левая часть уравнения

8л:3 —6л:—1 = 0 (7>

является неприводимым многочленом над полем Q(i% ]/~3). Если мы докажем, что многочлен 8л:3 — 6л:—1 неприводим над полем рациональных чисел Q, то отсюда будет следовать, что он неприводим и над полем Q(i, j/З), потому что любое допустимое расширение поля Q(/, j/З) является допустимым расширением поля Q.

Решая задачу об удвоении куба, мы уже установили, что для доказательства неприводимости кубического многочлена над полем рациональных чисел достаточно установить, что у него нет рациональных корней. Предположим, что такой корень есть; положим 2х=у , где р, q— целые взаимно простые числа. Из равенства (7) находим

p'~3pql=q;

так что q3 делится на р и, значит, р=±1. Тогда q удовлетворяет уравнению q3±3q2 =f 1 = 0; так как q — целое число, то оно должно быть делителем свободного члена этого уравнения, так что если целый корень есть, он равен ±1. Но, очевидно, соответствующие значения л:=±у не являются решениями уравнения (7). Следовательно, оно вовсе не имеет рациональных решений.

Итак, циркулем и линейкой нельзя разделить на три равные части угол -^- = 60°, т. е. нельзя построить угол у--^- = 20°.

3.3. Построение треугольника по его биссектрисам. Сейчас мы разберем одну менее традиционную задачу. Треугольник определяется своими тремя линейными элементами: тремя сторонами, тремя высотами, тремя медианами или, наконец, тремя биссектрисами. Построить треугольник циркулем и линейкой по заданным сторонам высотам или медианам сравнительно нетрудно. Не так обстоит дело с биссектрисами. Оказывается, что задача построения треугольника по заданным отрезкам биссектрис его углов от вершины до противоположной стороны неразрешима с помощью циркуля и линейки.

Как и в задаче о трисекции угла, мы не станем разбирать вопрос о неразрешимости «в общем случае» и проведем соответствующее рассуждение для частных значений длин биссектрис. Удобно считать, что две из них равны, потому что тогда удается свести задачу к исследованию кубического многочлена; если этого предположения не делать, пришлось бы рассмотреть уравнение шестнадцатой

степени. Мы будем опираться на следующую теорему1): если отрезки биссектрис двух углов в треугольнике равны, то эти углы также равны, так что треугольник равнобедренный. (Доказать геометрически эту теорему вовсе не легко!)

Задача 3. Построить равнобедренный треугольник по данным отрезкам биссектрис его углов от вершин до противолежащих сторон.

Воспользуемся одной общей формулой, вывод которой предоставим читателю.

Пусть дан треугольник с полупериметром р и углами а, ß, у, тогда длина биссектрисы угла а равна

(8)

(Подобные же формулы, конечно, справедливы для и 1Г)

В нашем случае ß = y» отрезки la и заданы. Можно считать, что /ß=l; длину отрезка /а для краткости обозначим просто буквой /. Если бы мы могли построить циркулем и линейкой искомый треугольник, то мы могли бы построить также отрезок длины sin-£ .

Из формулы (8) мы выведем сейчас, что число sin у является корнем кубического многочлена над полем Q(l) и что при некоторых рациональных значениях величины / этот многочлен неприводим. Таким образом, соответствующая задача неразрешима. (Убедитесь, что тем не менее при всех /, 0 < / < со, искомый треугольник существует!)

Применим формулу (8) к L и отыщем отношение -~- = /, учитывая, что ß = у. Тогда получим

(9)

(мы снова пользовались тем, что треугольник равнобедренный и, значит, -у = -^—ß^. Положим sin-^- = x; тогда sin ^=3* — 4л:3; cos ß = 1—2х2. Из равенства (9) вытекает, что х является корнем уравнения

4*'-4/**-3* + 2/ = 0. (10)

1) См., например,Д. О. Шклярский, H H. Ченцов, И.М.Яглом, Избранные задачи и теоремы элементарной математики, ч 2 (М., Гостехиздат, 1952), задача 96 и ее решение.

Удобно взять 1 = 3 и произвести замену переменного, положив у = 2х— 2. Число у является тогда корнем уравнения

у* — 15дг —10 = 0.

Как и прежде, для доказательства неприводимости многочлена у9 — 153;—10 достаточно установить, что у него нет рационального корня. Пусть такой корень есть, и он равен —, где р, q— взаимно простые целые числа. Тогда

Р3 = 5?2 (Зр + 2<7),

следовательно, /? = 5г, где г — целое число, так что

2br'=q2(\5r + 2q).

Но последнее равенство невозможно, потому что q не делится на 5.

Наконец, разберем вкратце еще две классические задачи. Для полного их исследования изложенной выше теории оказывается недостаточно, и некоторые необходимые результаты нам придется принять без доказательства.

3.4. Построение правильных многоугольников. Задача 4 Дана окружность радиуса единица; требуется вписать в нее правильный многоугольник с заданным числом сторон.

Пусть число сторон равно п\ в удобной системе координат задача сводится к построению корней л-й степени из единицы, т е. корней многочлена гп — 1 Этот многочлен безусловно приводим: он всегда делится на п г—1, и даже на г2 + 1, если п четно. Согласно общему правилу, следует разложить многочлен гп — 1 на неприводимые множители, однако мы сначала несколько упростим задачу, пользуясь се геометрическим истолкованием

Пусть n — pq, где р, q—взаимно простые целые числа, оба не равные единице Покажем, что если можно построить циркулем и линейкой правильный п-угольник, то можно построить также правильные р-угольник и q-угольник, и наоборот, если можно построить правильные р-угольник и q-игольник, то можно построить и правильный pq-игольник Первое утверждение очевидно, второе вытекает из того, что если e,(i —I, , р), г]у(/ = 1, . , q) — все корни из единицы р-й и q-и степени соответственно, то попарные произведения е/т], представляют собой все корни из единицы pq-ü степени. Отсюда следует, что достаточно разобрать вопрос о многоугольниках с pk сторонами, где р — простое число, a —любое целое положительное число.

Если р = 2, то при любом k все корни многочлена х2 —1 принадлежат допустимым расширениям поля Q (1) (и, значит, поля Q) Читателю полезно проверить это утверждение алгебраически; геометрически оно вытекает из того, что любую дугу можно разделить циркулем и линейкой на 2* равных частей.

Пусть теперь р^З.Прежде всего хр — \={хр — \)(хр +

Корни первого множителя—это все непервообразные корни из единицы pk-Pi степени. Для построения р*-угольника необходимо уметь

строить хотя бы один первообразный корень; этого и достаточно, потому что тогда все остальные корни будут его степенями. Поэтому остается выяснить, принадлежат ли допустимому расширению поля Q (/) (или, что все равно, поля Q) корни многочлена *р {р~1) + хр (/7~2) +. . +1.

Ответ (по крайней мере, частичный) получить очень легко, если принять без доказательства, что этот многочлен неприводим (существует ряд доказательств этого факта, и все они используют довольно тонкие арифметические соображения,— причиной неразрешимости геометрической задачи в конечном счете оказываются снова некоторые свойства целых чисел!). Тогда из теоремы 2 (стр. 219) следует, что если рк~х (р — 1) Ф 2“, то правильный р*-угольник нельзя построить циркулем и линейкой.

Тем самым устанавливается, что если р*-угольник можно построить, то либо р = 2, либо р > 2, и тогда обязательно & = 1 и р — \=2п. Из того, что мы доказали, однако, нельзя заключить, что если р = 2п + 1 — простое число, то правильный р-угольник можно построить циркулем и лине> кой. Это утверждение на самом деле справедливо, и оно было впервые доказано Гауссом. При /г = 1 получается число р = 2'-|-1 =3; при п = 2 — число р = 5; при п=±Ъ получаем не простое число 23+1=9; при п — А получаем р=17. Возможность построить циркулем и линейкой правильный 17-угольник вообще не была известна до работы Гаусса, и найти такое построение с помощью только геометрической интуиции очень трудно, если не невозможно. В алгебраической формулировке дело сводится к установлению того, что корни 17-й степени из единицы можно выразить через числа поля Q (?) с помощью извлечения квадратных корней; это — задача нелегкая, но вполне доступная для изложения даже на этих страницах и, по существу, не требующая никаких дополнительных знаний Мы, однако, оставим этот вопрос в стороне.

3.5. Квадратура круга. Задача 5. Дан круг; построить квадрат, равновеликий этому кругу.

Мы уже упоминали, что эта задача тоже неразрешима с помощью циркуля и линейки. Однако природа этой неразрешимости совершенно не такая, как у разобранных до сих пор задач.

Как обычно, радиус круга можно считать единичным; дело сводится тогда к построению квадрата площади я, т. е. отрезка длины ]/я. Если бы мы могли построить отрезок длины я, то мы могли бы построить и отрезок длины и наоборот. Таким образом, истинная трудность задачи о квадратуре круга заключается в задаче о спрямлении (полу)окружности, т. е. в построении отрезка длины я.

Мы пришли к вопросу: принадлежит ли число я допустимому расширению поля рациональных чисел Q?

В прежних задачах отрицательный ответ на такого рода вопросы получался так: искомое число было корнем какого-то многочлена с рациональными коэффициентами, и дальше мы старались применить к этому многочлену или к его делителю теорему 2' (или теорему 2). В этом месте стоит напомнить и обратный результат: если число х принадлежит допустимому расширению поля /С, то оно, во всяком случае, является корнем какого-то многочлена с коэффициентами в поле К (этот результат справедлив для любых конечных расширений поля К, а всякое допустимое расширение, по определению, конечно).

Оказывается, что число я не является корнем вообще никакого многочлена с рациональными коэффициентами. Принято выражать это, называя число я трансцендентным1).

Доказательство трансцендентности числа я использует трудные аналитические и арифметические средства. Из этого доказательства и следует невозможность квадратуры круга с помощью циркуля и линейки, и даже с помощью ряда других чертежных средств (например, лекал, ограниченных отрезками алгебраических кривых над полем рациональных чисел, которые дают возможность удвоить куб или произвести трисекцию угла).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ф. Клейн, Лекции по избранным вопросам элементарной геометрии, перев. с нем., Казань, 1898.

Небольшая книжка, содержащая обработку двух лекций, прочитанных знаменитым математиком Ф. Клейном немецким учителям математики. Первая часть книги содержит изложение вопроса о геометрических построениях, сводящихся к решению алгебраических уравнений, вторая — учение о трансцендентных числах и элементарное (но совсем не простое) доказательство неразрешимости задачи квадратуры круга.

[2] Г. Вебер и И. Вельтштейн, Энциклопедия элементарной математики, перев. с нем., т. 1, Одесса, 1911.

Обширная книга, посвященная вопросам арифметики и алгебры. К теме настоящей статьи имеют отношение: гл. XVIII Деление окружности на равные части, гл. XIX Доказательства невозможности (эта глава начинается с решения вопроса о классе задач на построение, разрешимых с помощью циркуля и линейки) и гл. XXVII. Трансцендентность чисел е и я.

[3] М. М. Постников, Теория Галуа, М., Физматгиз, 1963.

Книга содержит элементарное изложение алгебраической теории Галуа, в частности современное решение вопроса о задачах на построение, разрешимых или неразрешимых циркулем и линейкой.

[4] А. Г. Школьник, Задача деления круга, М., Учпедгиз, 1961. Небольшая брошюра, рассчитанная на широкий круг читателей.

[5] Г. И. Дринфельд, Трансцендентность чисел я и е, Харьков, Изд. Харьковского университета, 1952.

В этой небольшой книге содержится элементарное решение вопроса о неразрешимости задачи квадратуры круга. См. также книги А. Адлера и L. Bieberbach'a, указанные в списке литературы к статье «Общие принципы геометрических построений», (стр 203 и 204)

1) См. статью «Элементы теории чисел» в кн. 1 ЭЭМ, гл. VI, в частности § 17.

МЕТОДЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ

СОДЕРЖАНИЕ

§ I. Постановка задачи........................229

1.1 Задача отображения пространства на плоскость ......229

1.2 Циклография........................229

1.3 Метод Федорова.......................230

1.4. Основные требования к методам изображения........231

1 5. Неоднозначность обратного отображения..........232

1.6 Проекционные методы изображения.............233

§ 2. Параллельные проекции.....................234

2.1. Свойства параллельной проекции..............234

2 2. Метод параллельной проекции на одну плоскость......236

2.3 Жесткие и свободные изображения.............238

2.4 Изображение плоских фигур ................240

2.5. Примеры ..........................244

$ 3. Параллельная аксонометрия...................247

3.1. Теорема Польке — Шварца .................247

3.2. Полные и неполные изображения...............252

3.3 Понятие о параллельной аксонометрии...........255

3.4. Условные изображения ...................258

3.5 Примеры построения аксонометрических изображений .... 259

3.6 Общие методы построения аксонометрических изображений 261

3 7. Аксонометризация чертежа.................266

3.8. Ортогональная (прямоугольная) аксонометрия .......271

ç 4 Метод Монжа ..........................275

4.1. Комбинированные изображения...............275

4.2. Сущность метода Монжа ..................275

$ б. Центральные проекции......................277

5.1 Свойства центральной проекции...............277

5 2 Проективные координаты..................279

5.3 Использование проективных координат для построения изображений ...........................281

5.4 Понятие о центральной аксонометрии............282

$ 6. Построения на изображении...................288

6.1. Построения на проекционном чертеже............288

6.2. Примеры ..........................288

Литература..............................289

§ 1. Постановка задачи

1.1. Задача отображения пространства на плоскость. Существуют инструменты, оставляющие след на бумаге (например, карандаш или кисть), но не существует чертежного инструмента, оставляющего след при движении в пространстве. Поэтому всякий плоский предмет можно точно изобразить на бумаге, и здесь не возникает вопроса о каких-либо методах изображения (кроме только подобного изменения размеров). Если же требуется изобразить пространственный (трехмерный) предмет, то по упомянутой причине его нельзя точно скопировать. Мы исключаем из рассмотрения изготовление моделей, копирующих оригинал. Этот процесс слишком сложен и может применяться лишь в исключительных случаях. В повседневной же практике мы вынуждены довольствоваться изображением пространственных предметов на плоскости.

Условимся о следующих терминах.

Предмет, подлежащий воспроизведению, называется оригиналом.

Плоская фигура, воспроизводящая или представляющая оригинал, называется изображением.

Совокупность правил, определяющих, каким образом, зная оригинал, получить его изображение, составляет метод изображения. По причинам, которые будут выяснены ниже, существует не один, а много различных методов изображения.

1.2. Циклография. При всяком методе изображения точки пространства изображаются какими-либо объектами на плоскости. При этом не обязательно, чтобы изображение точки было точкой. Существует, например, метод изображения, называемый циклографией, дающий изображения точек в виде ориентированных окружностей1).

Пусть а — плоскость изображения, a M'—произвольная точка пространства (рис. 1). Опустим из М' перпендикуляр на плоскость а и обозначим основание этого перпендикуляра через М0. Построим, далее, окружность с центром в Ж0, радиус которой равен М'М0. Наконец, установим на этой окружности такое направление обхода, которое с точки зрения наблюдателя, находящегося в точке М\ воспринимается как направление против часовой стрелки. Полученная ориентированная окружность и считается изображением точки М'. Изображением точки, лежащей в плоскости а, служит она сама.

Рис. 1.

1) Т. е. окружностей, на которых задано определенное направление обхода, на рисунках указываемое стрелкой.

В этом случае можно считать изображение окружностью нулевого радиуса.

Циклография осуществляет взаимно однозначное соответствие между точками пространства и ориентированными окружностями на плоскости.

Две точки, симметричные относительно плоскости а, изображаются одной и той же окружностью, но с разными направлениями обхода.

На рис. 2 показаны изображения прямых. На рис. 2,а изображена прямая, наклоненная к плоскости а под углом, меньшим 45°, на рис. 2,6—перпендикуляр к плоскости а.

1.3. Метод Федорова. Этот метод заключается з том, что точки пространства изображаются на плоскости параллельными векторами. На плоскости а на некоторой прямой а одно направление выбирается как положительное; противоположное направление на этой прямой считается отрицательным. Из двух полупространств, определяемых плоскостью а, выбирается одно, которое считается положительным; другое считается отрицательным. Пусть теперь М'—какая-нибудь точка пространства. Опустим из нее перпендикуляр на плоскость а и обозначим основание этого перпендикуляра через М0. Проведем через М0 прямую, параллельную а. Отложим на этой прямой отрезок MQM, длина которого равна расстоянию точки М' от плоскости а, т. е. М'М0. При этом будем откладывать отрезок М0М в положительном (отрицательном) направлении от точки Ж0, если точка М' лежит в положительном (отрицательном) полупространстве. Построенный таким образом (связанный!) вектор1) М0М считается изображением точки М'. Изображением точки, лежащей в плоскости а, считается сама эта точка. В этом случае можно считать изображение нуль-вектором.

На рис. 3 изображена пара точек, симметричных относительно плоскости а. На рис. 4,а изображена прямая, наклонная к плоскости a, a на рис. 4,6—прямая, параллельная плоскости а.

Рис. 2.

1) Ср. подстрочное примечание на стр. 295 этой книги ЭЭМ.

Итак, изображение точки может быть и не точкой. Однако методы изображения такого рода не обладают наглядностью и мало распространены. Поэтому, упомянув о них, мы в дальнейшем будем рассматривать только те методы, которые точку изображают точкой.

1.4. Основные требования к методам изображения. К методам изображения предъявляются два основных требования:

1) наглядность,

2) удобоизмеримость.

Наглядность — это способность изображения вызывать зрительное впечатление, сходное с тем, какое вызывает оригинал. Изображение должно в некотором смысле заменить оригинал. Разумеется, мы имеем в виду только геометрическую форму оригинала. Зрительное впечатление, вызываемое оригиналом, зависит от многих его свойств, например от окраски, но окраска не относится к ведению геометрии. Можно подвергать геометрическому анализу и произведения живописи, но только с точки зрения рисунка, отвлекаясь от красок, фактуры и других особенностей.

Наглядность можно понимать и так: всякий человек, рассматривающий изображение, должен понимать, что оно изображает. Для этого не требуется специальной подготовки или знания каких-нибудь условностей. Изображения, показанные на рис. 1—4, не обладают наглядностью. Не зная соглашений, изложенных в тексте, нельзя понять, что изображено на этих рисунках.

Удобоизмеримость понимается так: по изображению можно, и притом несложно, восстановить оригинал как твердое тело, т. е. определить все его размеры. Заметим, что изображение не всегда определяет оригинал метрически точно. Существуют методы изображения, которые определяют оригинал только с точностью до подобия

Рис. 3. Рис. 4.

или до аффинного преобразования и т. п.1) Однако в этих случаях достаточно добавления некоторых соглашений, чтобы оригинал определи ся метрически. Инженерный рисунок обычно определяет оригинал, который должен быть изготовлен, например здание, деталь машины и т. п. Ясно, что такой рисунок должен определять оригинал метрически точно.

Изображения на рис. 1—4 обладают удобоизмеримостью. Требования наглядности и удобоизмеримости противоречат одно другому. При построении изображений для художественных целей предпочтение отдается наглядности. Поэтому художники всегда пользуются методом изображения (он называется центральной проекцией; см. § 5), обеспечивающим наилучшую наглядность по сравнению с другими методами. Удобоизмеримость при этом методе не очень хорошая: определять размеры оригинала хотя и можно, но для этого требуются сравнительно сложные построения.

Инженеры-машиностроители и работники некоторых других специальностей пользуются методом Монжа (см. ниже). Это — лучший метод по удобоизмеримости, но наглядность его мала. Человек, не обладающий специальной подготовкой, не сможет понять, что на рис. 5 изображен куб.

Самое большое распространение имеют методы изображения, в которых достигнут некоторый компромисс между требованиями наглядности и удобоизмеримости. Например, метод параллельной проекции лишь незначительно уступает по наглядности методу центральной проекции, зато построения для определения размеров предмета в этом методе значительно проще. Методом параллельной проекции строятся изображения пространственных фигур в книгах по геометрии.

Рис. 5.

1.5. Неоднозначность обратного отображения. Точка в пространстве определяется тремя координатами, а точка на плоскости—двумя2). Можно доказать, что нельзя взаимно однозначно отобразить пространство (или даже мал^й объ^м пространства) на плоскость с сохранением непрерывности; это означает, что обратное отображение не будет однозначным. Поэтому точка изображения сама по себе без дополнительных данных не может определять точку оригинала.

1) См. в этой книге ЭЭМ статью «Геометрические преобразования», стр. 61—62.

2) Иными словами, пространство имеет три измерения-, а плоскость — два (ср. стр. 370 и 377 этой книги ЭЭМ).

Во всяком методе изображения к точке изображения должен добавляться еще один параметр, и только тогда точка оригинала будет вполне определена. Это добавление параметра происходит в разных методах изображения по-разному.

Например, в проекциях с числовыми отметками из точки M пространства опускается перпендикуляр на плоскость изображения а. Пусть M—основание этого перпендикуляра. Около точки M делается числовая отметка, показывающая расстояние точки М' от плоскости а (т. е. длину перпендикуляра М'М)\ это расстояние дополнительно снабжается знаком -» или — в зависимости от того, в каком полупространстве находится точка М'. Точка M вместе с числовой отметкой считается изображением точки М'.

При изображении не отдельных точек, а более сложных оригиналов числовую отметку не ставят около каждой точки, а соединяют линией все точки с одинаковой числовой отметкой и эту общую отметку надписывают около этой линии. Линии, состоящие из точек с одинаковыми числовыми отметками, называются горизонталями. На рис. 6. изображена верхняя часть горы. Юго-западный склон у нее наиболее пологий, а юго-восточный— наиболее крутой.

В этом методе числовая отметка и есть тот параметр, о необходимости которого говорилось выше. Точка изображения вместе с числовой отметкой вполне определяет точку оригинала.

В циклографии (см. рис. 1) недостающий параметр задается в виде радиуса окружности, в методе Федорова (см. рис. 3) — в виде длины вектора.

1.6. Проекционные методы изображения. В подавляющем большинстве случаев пользуются проекционными методами изображения. Это объясняется тем, что в проекционных методах процесс построения изображения близок к процессу зрения, т. е. к процессу образования изображения на сетчатке (разумеется, имея в виду только геометрическую, а не физиологическую сторону процесса зрения). Поэтому проекционные методы наиболее наглядны.

В дальнейшем мы будем рассматривать только проекционные методы изображения.

Проекционными называются все методы, в которых точка изображения либо служит непосредственной проекцией точки оригинала, либо после проектирования производится еще какое-нибудь

Рис. 6.

проективное преобразование1) (например, подобное преобразование т. е. изменение масштаба).

Проектирование осуществляется прямыми. В подавляющем большинстве случаев эти прямые принадлежат связке2). Напомним, что различают два вида связок: собственные (центральные) связки, состоящие из всех прямых, проходящих через одну точку (центр связки), и несобственные связки, состоящие из всех параллельных между собой прямых (в этом случае говорят, что центр связки — несобственная, т. е. бесконечно удаленная точка3)). Можно сказать, что связка—это множество всех прямых, проходящих через одну точку, конечную или «бесконечно удаленную».

Итак, мы будем рассматривать только отображения трехмерного пространства на плоскость проекционными методами, в которых проектирование осуществляется связкой прямых — центральной связкой или связкой параллельных прямых.

Та область начертательной геометрии — науки об изображениях,— которая вследствие этих ограничений остается вне нашего поля зрения, по своему объему невелика и обслуживает некоторые узко специальные вопросы (например, в химии многокомпонентных сплавов иногда используется многомерная начертательная геометрия). Все технические чертежи и иллюстративные изображения, а также инженерные рисунки входят в очерченную нами область.

§ 2. Параллельные проекции

2.1. Свойства параллельной проекции. Выберем некоторую плоскость а за плоскость изображения (т. е. плоскость, на которой строятся изображения). Выберем также в пространстве некоторую (не параллельную плоскости а) прямую а, указывающую направление проектирования. [Точнее говоря, мы выбираем не фиксированную прямую (потому что прямая а может быть заменена любой параллельной ей прямой), а связку параллельных прямых; прямая а служит представителем этой связки, т. е. при помощи прямой а мы задаем связку.]

Пусть М' — какая-нибудь точка пространства. Проведем через М' прямую, параллельную а; она называется проектирующей прямой. Точка M пересечения этой прямой с плоскостью а считается изображением точки М'.

1) См стр. 110—121 этой книги ЭЭМ,

2) Существуют и такие проекционные методы, в которых для проектирования используется не связка, а какое-нибудь другое двухпараметрическое семейство прямых (конгруенция). Мы этих методов рассматривать не будем.

3) Ср. стр. 113 этой книги ЭЭМ.

Сделаем одно замечание, касающееся обозначений. Все обозначения, относящиеся к оригиналу, снабжаются штрихами, а для изображений употребляются те же буквы без штрихов. Например, точка М' имеет изображением точку Ж, прямая т'— прямую т.

Такой обычай объясняется тем, что только в начертательной геометрии, в которой методы изображения представляют предмет исследования, нам приходится иметь дело одновременно с оригиналом и изображением. Во всех других случаях мы имеем дело только с изображением. Рассматривая рисунки в учебнике геометрии, мы говорим «это — куб», «это—шар». На самом деле эти рисунки представляют «изображение куба» и «изображение шара». [Точно так же и произведения живописи представляют нам человека через посредство его изображения.] В начертательной же геометрии нам приходится одновременно показывать и оригинал (точка М' на рис. 7) и изображение (точка M на том же рисунке). Если бы мы условились оригинал обозначать буквами без штрихов, а изображения — буквами со штрихами, то на всех рисунках нам пришлось бы пользоваться только буквами со штрихами и лишь в начертательной геометрии встречались бы некоторые буквы без штрихов.

Отметим некоторые свойства, характерные для метода параллельных проекций. Доказательства мы во всех случаях предоставляем читателю.

1. Каждой точке пространства однозначно соответствует точка на плоскости а. Разумеется, это соответствие не взаимно однозначно. Все точки, принадлежащие одной проектирующей прямой, имеют одно и то же изображение.

При всех методах изображения точки, имеющие одно и то же изображение, называются конкурирующими точками. В параллельной проекции конкурирующие точки — те, которые лежат на одной проектирующей прямой.

2. Прямая, если только она не проектирующая, имеет в качестве своего изображения также прямую линию; проектирующая прямая изображается точкой.

Поясним, что все геометрические фигуры мы мыслим составленными из точек. Поэтому под изображением прямой следует понимать множество изображений всех ее точек.

3. Параллельные прямые, если только они не проектирующие и не лежат в одной проектирующей плоскости (т. е. плоскости

Рис. 7.

параллельной прямой а), изображаются параллельными прямыми. Отсюда следует, что изображение параллелограмма — параллелограмм (который может вырождаться в отрезок).

4. Если точки А\ В\ С принадлежат одной прямой (не проектирующей), то

Точно так же, если А'В' и CD'— отрезки, лежащие на параллельных (не проектирующих) прямых, то

Предложения 2—4 можно также сформулировать несколько иначе. Оригинал обладает различными свойствами. При параллельном проектировании некоторые из этих свойств, вообще говори, теряются, т. е. не переносятся на изображение, а другие свойства сохраняются. Последние свойства называются инвариантными относительно параллельного проектирования1). Всякий параметр, характеризующий оригинал и не меняющий своего значения ни при каком параллельном проектировании, называется инвариантом параллельного проектирования.

Пользуясь этими понятиями, можно свойства 2—4 сформулировать так:

2'. Свойство трех (или большего числа) точек «лежать на одной прямой» инвариантно относительно параллельного проектирования, т. е. если три точки оригинала обладают этим свойством, то их изображения также обладают этим свойством2).

3'. Свойство двух прямых «быть параллельными» инвариантно относительно параллельного проектирования.

4'. Простое отношение трех точек, лежащих на одной прямой, есть инвариант параллельного проектирования. Инвариантом также является отношение двух отрезков, лежащих на одной прямой или на параллельных прямых.

Из всего изложенного ясно, что параллельное проектирование есть аффинное отображение3), но это отображение вырожденное, так как оно уменьшает размерность оригинала: точки трехмерного пространства преобразуются в точки плоскости.

2.2. Метод параллельной проекции на одну плоскость. При выполнении рисунков Moi будем соблюдать следующую условность.

1) Ср. стр. 101, 102 этой книги ЭЭМ.

2) Мы не будем каждый раз оговаривать очевидные исключения для проектирующих прямых.

3) Ср. стр. 62 этой книги ЭЭМ.

Если изображения двух линий пересекаются, то мы будем либо обозначать эту точку пересечения маленьким кружком (рис. 8а), либо прерывать одну из линий (рис. 8,б). Первое обозначение будет применяться в том случае, если оригиналы /' и т' пересекаются; в этом случае точка А пересечения изображений служит изображением точки А' пересечения оригиналов. Второе обозначение применяется, если оригиналы не пересекаются. Точка пересечения изображений не служит в этом случае изображением общей точки двух линий. Она служит изображением двух различных (конкурирующих) точек: точки А' на линии V и точки В'— на линии m'. При этом перерыв линии m (рис. 8,6) значит: точка В' лежит ближе к плоскости изображения, чем точка А'. Вообразим наблюдателя, находящегося от плоскости а с той же стороны, с какой и линии / и m э и притом весьма далеко. Если этот наблюдатель смотрит на плоскость « вдоль проектирующих лучей, то его взгляд встречает сначала линию /', а затем линию т\ т. е. для него линия /' при кажущемся пересечении с линией т' заслоняет ее1).

При построении изображений встречается много условностей такого рода. Не следует думать, что цель этих условностей—стилизация рисунка или придание ему изящества. Они играют важную геометрическую роль, устраняя многозначность в истолковании рисунка. Например, если бы не ввели только что сформулированного условия, то как бы мы ответили на вопрос: что изображено на рис. 9,я? На этот вопрос возможны, в частности, следующие ответы:

1) На рис. 9,а изображен параллелепипед. Возможно, что мы его видим сверху и справа, а возможно, что снизу и слева.

2) На рис. 9,а изображена плоская фигура.

3) На рис. 9,а изображены двенадцать отрезков, разбросанных в пространстве и попарно не имеющих общих точек.

На рис. 9,6 эта многозначность устранена. Несомненно, что на нем изображен параллелепипед, рассматриваемый справа и сверху. Метрические параметры этого параллелепипеда (углы и ребра) мы пока определить не можем. К этому вопросу мы вернемся ниже.

Рис. 8.

1) Это соглашение, строго говоря, подразумевает, что расстояния от точек А' и В' до плоскости изображения а считаются ориентированными, т. е. для точек, находящихся в «положительном» полупространстве (том, в котором находится наблюдатель), расстояния берутся со знаком +,а для точек другого, «отрицательного» полупространства—со знаком —.

Мы уже говорили, что в проекционных методах кроме проектирования допускается еще какое-нибудь проективное преобразование. Условимся, что в данном случае мы будем допускать подобное преобразование.

Итак мы приступаем к изучению метода изображения, называющегося «параллельная проекция на одну плоскость». Этот метод заключается в том, что точки пространства сначала параллельно проектируются на плоскость, а затем полученное в этой плоскости изображение подвергается подобному преобразованию1).

Подчеркиваем, что с этого момента читатель, видя на рисунке точку М, не должен считать, что она есть непосредственная проекция точки М'.

Свойства 1—4 (см. стр. 235—236) сохраняют силу при новом понимании термина «параллельная проекция».

2.3. Жесткие и свободные изображения. При изучении метода параллельной проекции на одну плоскость, как и при изучении любого метода изображений, возникают следующие задачи.

1. Как, зная оригинал, построить изображение?

2. Как, имея изображение, судить об оригинале? При этом вовсе не очевидно, да и не всегда (не при любом методе изображения) верно, что, имея изображение, можно ответить на любой вопрос, относящийся к оригиналу.

Приступая к разбору этих задач, заметим, что они допускают два различных толкования в зависимости от того, имеем ли мы:

а) жесткое изображение или

б) свободное изображение.

Рис. 9.

1) Искажение, которому подвергается оригинал при замене его изображением, нисколько не увеличилось бы,если бы мы подвергли полученную проекцию не подобному, а любому аффинному преобразованию, потому что само параллельное проектирование есть аффинное отображение. Мы ограничиваемся подобным преобразованием (для большей элементарности изложения) именно потому, что эт.. разница несущественна.

Изображение называется жестким, если известны все параметры, характеризующие метод изображения и положение оригинала.

Пусть, например, требуется построить изображение куба, ребро которого равно 1 м. Метод параллельной проекции на одну плоскость характеризуется двумя параметрами, а именно:

1) углом а наклона проектирующих прямых к плоскости изображения1);

2) коэффициентом подобия k, т. е. множителем, на который умножаются все отрезки, полученные в плоскости изображения в результате проектирования.

Положение куба определяется в случае ортогональной проекции двумя параметрами. Можно, например, задать углы а, ß, у проектирующего луча с ребрами куба, выходящими из одной вершины. Эти углы связаны соотношением

и потому среди трех углов а, ß, у имеется два независимых параметра.

Можно взглянуть на дело и с такой точки зрения. Положение твердого тела в пространстве определяется шестью параметрами. Однако любые параллельные переносы этого тела не влияют на проекцию (они вызывают только параллельный перенос этой проекции в плоскости изображения); эти движения зависят от трех параметров. Кроме того, повороты тела вокруг оси, совпадающей с проектирующей прямой, в случае ортогональной проекции тоже не влияют на проекцию, вызывая лишь повороты изображения; эти движения зависят от одного параметра. Получаем: 6 — 3 —1=2. Если проекция косоугольная, то повороты тела вокруг проектирующей прямой уже меняют вид изображения, и положение тела в этом случае зависит от трех параметров.

Допустим, что все эти параметры заданы, например:

а = 61°, £ = 0,04; а = 45°, ß = 61°, y = 59°.

При таких параметрах куб с ребром 1 м изобразится так, как показано на рис. 10.

При построении жестких изображений задание оригинала полностью определяет изображение. Верно и обратное. Зная параметры, характеризующие проектирующий аппарат и положение оригинала, мы бы могли определить метрические параметры параллелепипеда, изображенного на рис. 9,6.

1) При а = 90° проекция называется прямоугольной или ортогональной, при а Ф 90° —косоугольной.

Жесткие изображения находят применение в инженерной практике. Методы получения таких изображений излагаются в учебниках начертательной геометрии. Параметры большей частью задаются не аналитически, а графически, т. е. элементы оригинала и проектирующего аппарата показываются на рисунке. Однако несравненно большее значение имеют свободные изображения.

Изображение называется свободным, если при его построении параметры, определяющие проектирующий аппарат и положение оригинала, неизвестны. Построить свободное изображение куба — значит изобразить куб, безразлично как расположенный, и безразлично под каким углом спроектированный на плоскость, и безразлично с каким последующим изменением размеров.

Разумеется, различие между жесткими и свободными изображениями заключается не в виде этих изображений, а в способе их получения. Так, изображение куба на рис. 10 построено по заданным параметрам, т. е. оно жесткое. Но если бы, желая как-нибудь изобразить куб, мы начертили рис. 10, то это было бы для нас свободное изображение куба.

Методы построения жестких и свободных изображений совершенно различны.

Во всех случаях использования изображений с иллюстративной целью приходится строить свободные изображения. Если учитель математики для иллюстрации какой-нибудь теоремы чертит на доске изображение куба с данным ребром, то ему безразлично, как расположен в пространстве оригинал и под каким углом наклонены к плоскости доски проектирующие прямые. Ему лишь важно, чтобы его изображение было «похоже» на куб. Но что это значит? Это значит, что существует такая система значений параметров a, k и параметров, характеризующих положение куба, при которой изображение куба с данным ребром будет именно таково.

Мы не будем излагать теорию получения жестких изображений как имеющую узко специальное значение. Отсылаем читателя к учебникам начертательной геометрии. Зато владение теорией свободных изображений совершенно необходимо каждому учителю математики. Мы изложим эту теорию подробно.

2.4. Изображение плоских фигур. В качестве пропедевтики мы начнем с изображений плоских фигур, расположенных в пространстве. Можно считать, что плоская фигура входит в состав подлежащей изображению пространственной фигуры (например, как одна из граней пирамиды). Если бы требовалось изобразить только одну плоскую фигуру, то мы могли бы изобразить ее без искажения.

Рис. 10.

Правила изображения плоских фигур основаны на следующей теореме.

Теорема 1. Любой треугольник ABC может служить изображением любого треугольника А'В'С. Прежде всего дадим некоторые пояснения.

Во-первых, говоря об изображениях, мы имеем в виду изображение по методу «параллельной проекции на одну плоскость».

Во-вторых, дадим более развернутую формулировку. В плоскости изображения а дан треугольник ABC. В пространстве дан треугольник А'В'С. Этот последний треугольник разрешается как угодно двигать в пространстве. Спрашивается, можно ли придать этому треугольнику некоторое положение в пространстве и затем спроектировать на плоскость а по некоторому надлежаще выбранному направлению так, чтобы проекцией оказался треугольник, подобный ABC} Если это можно, то затем подобным преобразованием полученной проекции можно получить треугольник, конгруэнтный ABC, т. е. можно считать, что треугольник ABC служит изображением треугольника А'В'С.

Теорема 1 дает утвердительный ответ на поставленный вопрос.

Доказательство. Построим в плоскости а треугольник ЛВС., удовлетворяющий двум условиям:

1) треугольник AlBlCl подобен треугольнику ABC,

2) АХВХ = А'В\

Затем расположим треугольник А'В'С так, чтобы сторона А'В совместилась со стороной АХВХ, а плоскость треугольника А'В'С образовала с плоскостью а какой-нибудь угол (рис. 11). Соединим точки С и Сх прямой, и эту прямую примем за проектирующую. Теперь проекцией треугольника А'В'С служит треугольник AtBtCv подобный ABC. Теорема доказана.

Из приведенного доказательства видно, что задание треугольника-оригинала А'В'С и треугольника-изображения ABL не определяет полностью проектирующего аппарата. Угол между плоскостями А'В'С и а остается произвольным, а следовательно, и угол наклона а проектирующей прямой С'С, к плоскости а не определен. Кроме того, можно было уравнивать не стороны АХВХ и А'В', а ВХСХ и В'С' или СХАХ и CA'. Однако, несмотря на неопределенность проектирующего аппарата, положение всех точек изображения вполне определенно. Это устанавливается следующей теоремой.

Рис. 11.

Теорема 2. Если для трех неколлинеарных1) точек А', В', С плоской фигуры известны их изображения А, В, С, то изображения всех точек этой фигуры вполне определены.

Эту теорему можно высказать и так. Пусть А', В', С\ М' — четыре точки оригинала (плоской фигуры). Может ли быть, что при одном способе эти точки имеют изображения Л, В, С, Ж, а при другом — А, Д С, Mv где Мх не совпадает с Mi Теорема 2 отвечает на этот вопрос отрицательно.

Идея доказательства такова. Четыре точки А', В', С, М' определяют четырехугольник. Его диагонали точкой пересечения делятся в определенных отношениях. Эти отношения для четырехугольника АВСМ должны быть теми же самыми, откуда следует, что задание точек А; В, С однозначно определяет точку М.

Теперь мы реализуем эту идею подробно.

Доказательство. Соединим точку М' с какой-нибудь из точек А', В', С, например с А'. Прямая А'М' пересечет сторону В'С' (или ее продолжение) в точке X' (рис. 12, а). Изображение точки X' однозначно определяется: оно должно лежать на прямой ВС и делить отрезок ВС в том же отношении, в каком точка X' делит отрезок В' С, т. е.

Построив точку X, мы можем провести прямую АХ (рис. 12, б). Точка M должна лежать на этой прямой; ее положение определяется пропорцией

Рис. 12.

(рис. 12, в).

1) Не лежащих на одной прямой.

Заметим, что если прямая А'М' окажется параллельной В'С, то прямая AM также должна быть параллельной ВС, и положение точки M определится из пропорции

Изложенный способ нахождения точки M есть не что иное, как нахождение точки по ее аффинным координатам. Сейчас мы разовьем эту аналогию подробно.

Как известно, треугольнике упорядоченными вершинами определяет аффинную систему координат. Иначе говоря, тройка неколлинеарных точек есть минимальная система точек, обладающая следующим свойством: всякое аффинное преобразование плоскости, оставляющее эти точки на своих местах, представляет собой тождественное преобразование, т. е. оно оставляет на своих местах все точки плоскости. Это и значит, что всякая точка плоскости может быть аффинно связана с данной тройкой точек, т. е. положения разных точек относительно данной тройки аффинно различимы.

Аффинную систему координат изображают различными способами, и читатель может не догадаться, что во всех случаях мы имеем треугольник с упорядоченными вершинами, так как его задание может быть замаскировано другими обозначениями или объясняться с другой точки зрения. На рис. 13 мы видим привычное изображение аффинной системы координат: оси ОХ и OK, на которых отмечены единицы масштаба ОЕх и ОЕ2. Эта система вполне определяется заданием упорядоченной тройки точек О, Е1У Е2. Таким образом, треугольник ABC может быть превращен в систему рис. 13, если условиться, что А—начало координат, AB (в направлении от А к В) — ось X, АС (в направлении от А к С) — ось У, отрезки AB и АС — единицы масштаба.

Иногда аффинную систему координат задают двумя неколлинеарными векторами ех и е2, выходящими из одной точки (рис. 14). Эта фигура называется аффинным репером; в ней мы узнаем треугольнику

Рис. 13. Рис. 14.

в котором «не проведена» третья сторона. Наконец, весьма удобно дополнить рис. 13 или 14 до аффинной сетки. Для этого единицы масштаба по каждой оси повторяются неограниченное число раз и через их концы проводятся прямые, параллельные осям (рис. 15). Ясно, что эта сетка из равных параллелограммов вполне определяется заданием трех точек О, Ev Е2.

Теперь вернемся снова к теореме 2 и взглянем на нее с несколько иной точки зрения. Исходя из треугольника А'В'С (рис. 12, а), построим аффинную сетку. Точно так же построим аффинную сетку, исходя из треугольника ЛВС. Точка M должна занимать на второй сетке такое же1) положение, как точка М' на первой сетке. Этот способ особенно удобен, когда приходится строить изображения фигур неправильной формы.

Все сказанное может быть выражено так:

Пусть изображениями трех неколлинеарных точек А', В', С плоской фигуры служат три неколлинеарные точки А, В, С. В таком случае изображением любой точки М' этой фигуры служит точка М, которая имеет относительно репера (AB, АС) те же самые координаты, какие имеет точка М' относительно репера (А'В', А'С).

2.6. Примеры. Рассмотрим теперь примеры на построение изображений плоских фигур. Изложенные выше положения (например, построение, показанное на рис. 12) исчерпывают этот вопрос. Однако иногда бывает удобно вместо применения этих общих способов исходить из индивидуальных свойств изображаемых фигур. При этом всегда следует руководствоваться двумя положениями:

1. Можно выбрать три точки, принадлежащие оригиналу, и изобразить их произвольно, т. е. любыми тремя точками. После этого ничего нельзя изображать произвольно: изображения всех остальных точек оригинала должны строиться.

2. Надо рассматривать оригинал и искать в нем свойства, инвариантные относительно параллельного проектирования; эти свойства можно переносить на изображение.

Рис. 15.

1) Предоставляем читателю уточнить смысл этого термина.

Например, если мы обнаруживаем в составе оригинала две параллельные прямые, то, строя изображения, мы тоже начертим две параллельные прямые. Если же мы обнаружим в составе оригинала две перпендикулярные прямые, то это свойство перенести на изображение, вообще говоря, нельзя.

Начнем рассмотрение плоских фигур с многоугольников.

Треугольник. Любой треугольник может быть изображен как угодно. Например, если сказано «изобразить правильный треугольник со стороною 1 сму>, то можно начертить любой треугольник и считать его изображением правильного треугольника со стороною 1 см.

Пример. Изобразить прямоугольный треугольник с катетами а и 2а, в котором из вершины прямого угла проведены медиана и высота.

На рис. 16, а показан оригинал без искажения. Начертим произвольный треугольник ABC (рис. 16, б) и будем считать его изображением треугольника А'В'С'. Медиана треугольника изображается медианой, потому что если D'—середина стороны А'В', то и D — середина стороны AB. Для изображения высоты сначала проведем в оригинале «настоящую» высоту А'Е' и определим, в каком отношении точка Е' делит гипотенузу А*В'. Известно, что отрезки гипотенузы (на которые она делится высотой) относятся как квадраты катетов, т.е. ^7^7=-^-- Следовательно, надо найти на AB точку £, для которой 7г§ = 4-1 и тогда СЕ есть изображение высоты.

Важно заметить, что для построения изображения высоты вовсе не обязательно, чтобы размеры оригинала были заданы аналитически Оригинал может быть задан графически. В таком случае мы проводим в оригинале высоту С*Е', а затем строим точку Е, удовлетворяющую условию

Аналогичные соображения применимы не только к высотам, но также и к биссектрисам.

Четырехугольник. Из рассуждения, иллюстрированного рис. 12, ясно, что, изображая четырехугольник A'B'C'D', можно три точки Л, В, С выбрать произвольно, а четвертая точка D должна

Рис 16.

быть построена так, чтобы диагонали четырехугольника ABCD делились точкой пересечения в тех же отношениях, как и в четырехугольнике А' В'С D'. Верно и обратное. Таким образом, изображением четырехугольника может служить любой четырехугольник, у которого диагонали делятся точкой пересечения в тех же отношениях. Например, изображением любого параллелограмма может служить любой параллелограмм.

Пример. Построить изображение правильного шестиугольника. На рис. 17, а показан правильный шестиугольник в натуральном виде (без искажения). Возьмем произвольный треугольник ABC (рис. 17, б). Диагональ В'Е' делит диагональ А 'С в точке X' пополам. Поэтому точка X должна быть серединой АС. Проводим прямую ВХ. Тогда AF\\BX и CD\\BX. Очевидно, В'Е' = 4-В'X'; поэтому строим ВЕ= 4-ВХ. Далее либо проводим ED\\AB, либо строим CD=2-BX. Аналогично строим точку F.

Окружность. Изображением окружности служит эллипс1). Если эллипс уже был определен каким-нибудь способом, то надо доказать, что изображение окружности — эллипс. Но можно принять это свойство за определение: образ окружности называется эллипсом. Исходя из этого определения, легко получить свойства эллипса. Мы в дальнейшем будем предполагать свойства эллипса известными.

Рассмотрим в окружности два взаимно перпендикулярных диаметра А'В' и CD' (рис. 18). То свойство этих диаметров, что они взаимно перпендикулярны, не инвариантно, но вот другое их свойство, которое инвариантно: каждый из них делит пополам хорды, параллельные другому. Это свойство называется сопряженностью. Мы приходим к следующему выводу:

1) Взаимно перпендикулярные диаметры окружности изображаются сопряженными диаметрами эллипса.

Рис. 17

Рис. 18.

1) Подробная статья с изложением свойств линий второго порядка (эллипса, гиперболы, параболы) будет помещена в кн. V ЭЭМ.

Ввиду того, что метод получения этих свойств однообразен (на изображение переносятся свойства оригинала, инвариантные относительно параллельного проектирования), сформулируем еще некоторые свойства, не повторяя вывода.

2) Центр окружности изображается центром эллипса.

3) Касательная к окружности в точке А' изображается касательной к эллипсу в точке А. Эта касательная (изображение) параллельна тому диаметру эллипса, который сопряжен с диаметром, проходящим через точку касания.

4) Квадрат, описанный около окружности, изображается параллелограммом, описанным около эллипса, причем стороны этого параллелограмма имеют сопряженные направления; средние линии этого параллелограмма—сопряженные диаметры эллипса.

Пример. Рассмотрим задачу: изобразить окружность со вписанным в нее правильным треугольником.

На рис. 19, а показан оригинал. Очевидно, СО'}_А'В', О'Е* =E'D'.

Изобразим окружность произвольным эллипсом (рис. 19,6); О — центр этого эллипса. Примем за С произвольную точку эллипса. Проведем диаметр CD; пусть Е—середина OD. Проведем через Е прямую, направление которой сопряжено CD (для этого надо провести какую-нибудь хорду, параллельную CD, разделить ее пополам и полученную середину соединить с О; соединяющая прямая имеет направление, сопряженное с CD). Точки пересечения этой прямой с эллипсом суть А и В.

Рис. 19.

§ 3. Параллельная аксонометрия

3.1. Теорема Польке — Шварца. Изображение пространственных фигур по методу параллельной проекции на одну плоскость во многом аналогично изображению плоских фигур.

Прежде всего возникает вопрос, может ли пространственный аффинный репер быть изображен произвольно? Другими словами, имеют ли место теоремы (об изображении пространственных тел), аналогичные теоремам 1 и 2?

Пространственный аффинный репер это — упорядоченная тройка векторов (некомпланарных, т. е. не лежащих в одной плоскости), выходящих из одной точки (рис. 20; сравнить с рис. 14).

Ясно, что задание этого репера равносильно заданию аффинной системы координат (рис. 21; сравнить с рис. 13), т. е. упорядоченной тройки осей 0'Х\ О'У и O'Z', на которых отмечены единицы масштаба 0'Еи 0'Ег и 0'ÉS.

Рис. 20 или 21 можно дополнить до пространственной аффинной сетки (рис. 22; сравнить с рис. 15).

Рис. 20.

Рис. 21

Наконец, ясно, что в составе любой из фигур рис. 20, 21 и 22 имеется тетраэдр с упорядоченными вершинами (например, тетраэдр 0'ЕхЕ2Ел на рис. 21), который определяет всю фигуру. Таким образом, тетраэдр A'B'C'D' (рис. 23; сравнить с рис. 12, а) может быть превращен в систему рис.21, если условиться, что А'—начало координат, А'В' (в направлении от Л' к В')—ось X' и т. д.

Читатель должен видеть, что рис. 20, 21, 22 и 23 представляют разные способы задания аффинной системы координат. Например, аффинный репер рис. 20 можно мыслить как тетраэдр, в котором «проведены» только ребра, выходящие из одной вершины.

При изображении пространственных фигур, так же как и при изображении плоских фигур, основной вопрос—это вопрос о том, как изобразить аффинный репер. Если мы сумеем изобразить его, то сумеем изобразить и любые фигуры, потому что всякая точка сверх четырех основных может быть инвариантно связана с этим репером (она занимает определенное положение в сетке параллелепипедов, показанной на рис. 22).

Аффинный репер, показанный на рис. 20, изображается на плоскости тремя отрезками, выходящими из одной точки. Поэтому упомянутый вопрос формулируется так: могут ли произвольные1) три отрезка на плоскости, выходящие из одной точки, служить изображением трех наперед заданных отрезков в пространстве, выходящих из одной точки в пространстве?

Если дополнить фигуру рис. 20 до тетраэдра, то изображение примет вид четырехугольника с диагоналями. Иначе эта фигура называется полным четырехвершинником или полным четырехугольником: четыре точки плоскости общего положения и все шесть определяемых ими прямых. На рис. 24, а показан выпуклый, а на рис. 24, б — невыпуклый четырехугольник ABCD с диагоналями АС и BD.

Поставленный выше вопрос относительно трех отрезков можно сформулировать и так: может ли произвольный полный четырехугольник служить изображением наперед заданного тетраэдра?

Ответ на поставленный вопрос утвердительный. Имеет место следующая теорема, аналогичная теореме 1.

Теорема 3 (теорема Польке — Шварца). Любой полный четырехугольник ABCD может служить изображением любого тетраэдра A'B'CD'.

Интересующая нас теорема впервые была высказана в 1853 г. немецким геометром Карлом Польке в следующей форме: «три

Рис. 22.

Рис. 23.

1) Т. е. произвольных длин и образующие между собою произвольные углы.

отрезка а'х', а' у\ a' z' произвольной длины, лежащие в одной плоскости, выходящие из одной точки а под произвольными углами друг к другу, представляют параллельную проекцию трех равных отрезков ах, ay, az, отложенных на прямоугольных осях координат от начала». Доказательство Польке было чрезвычайно сложным и неэлементарным. Оно не было опубликовано, но содержание его до нас дошло. В 1864 г. один из известных математиков того времени Герман Амандус Шварц (ученик Полька) обнаружил, что перпендикулярность и равенство отрезков О'А', О'В' и О'С несущественны, т. е. теорему Польке можно обобщить следующим образом: если О'А', О'В' и О'С—три произвольных отрезка в пространстве1), выходящих из одной точки, a OA, OB и ОС—три произвольных отрезка на плоскости, выходящих из одной точки, то фигуру (OA, OB, ОС) можно рассматривать как параллельную проекцию фигуры, подобной (О'А', О'В', О'С). Это значит, что можно фигуру (О'А', О'В', О'С)

1) подобно изменить с надлежащим коэффициентом подобия,

2) надлежащим образом переместить в пространстве,

3) надлежащим образом выбрать направление проектирования, и тогда проекцией окажется заданная фигура (OA, OB, ОС).

Вместо подобного изменения оригинала можно было бы производить подобное изменение проекции.

Мы не будем исследовать вопрос о том, определяются ли все перечисленные шаги однозначно. Скажем только, что первый шаг — да, а второй и третий — нет.

Только что приведенную теорему можно сформулировать и так:

Любой полный четырехугольник можно рассматривать как параллельную проекцию тетраэдра, подобного наперед заданному.

Или

Любой тетраэдр можно параллельно спроектировать на плоскость так, что получится полный четырехугольник, подобный наперед заданному.

Эта теорема (в любой из трех приведенных формулировок) называется теоремой Польке — Шварца. Шварц не только обобщил теорему

Рис. 24.

1) Т. е. отрезки любых длин, образующие между собой любые углы, однако не лежащие в одной плоскости.

Польке, но и дал простое и элементарное доказательство. Мы не будем приводить доказательство этой теоремы, потому что оно широко распространено в учебной литературе по начертательной геометрии. Доказательство теоремы Польке — Шварца можно найти, например, в указанных в конце статьи книгах [1, 2]1).

В приведенных формулировках теоремы Польке — Шварца упоминается подобие. Это объясняется тем, что непосредственным проектированием данного тетраэдра получить в точности данный полный четырехугольник, вообще говоря, нельзя: например, из большого тетраэдра нельзя получить маленький четырехугольник. Однако в той формулировке теоремы Польке — Шварца, которую мы выбрали за основную (теорема 3) подобие не упоминается. Это объясняется тем, что изучаемый нами метод изображения включает параллельное проектирование и кроме того подобное преобразование.

Приведем несколько положений, которыми мы будем пользоваться при построении изображений и которые суть разные аспекты теоремы Польке — Шварца.

1) Изображая любую аффинную систему координат, можно начертить изображения осей под любыми углами и на каждом изображении оси принять произвольный отрезок за изображение масштабной единицы (рис. 25). Напомним, что в аффинной системе координат масштабы на разных осях могут быть разные.

В частности, рис. 25 может рассматриваться как изображение декартовой прямоугольной системы координат. Аффинная система координат называется декартовой прямоугольной, если ее оси взаимно перпендикулярны и

2) Рис. 9 может рассматриваться как изображение любого параллелепипеда, в частности — как изображение куба с данным ребром.

3) Рис. 24 может рассматриваться как изображение любого тетраэдра.

Рис. 25.

1) С историей этой теоремы можно ознакомиться по статье Н. М. Бескина, Основное предложение аксонометрии, сб «Вопросы современной начертательной геометрии», под ред. Н. Ф. Четверухина, М.—Л., Гостехиздат, 1947, стр. 55—126.

3.2. Полные и неполные изображения. Изображая любую пространственную фигуру, надо выбрать в составе этой фигуры четыре точки общего положения (т. е. четыре точки, не лежащие в одной плоскости) и их изобразить произвольно. Остальные точки этой фигуры уже не могут изображаться произвольно. Перейдем к вопросу, как они должны изображаться.

Для изображения плоских фигур аналогичный вопрос решался теоремой 2 (см. рис. 12). При изображении пространственных фигур дело обстоит иначе, и мы прежде всего выясним, в чем заключается различие.

Пусть оригинал—плоская фигура, Л', В', С— три точки этой фигуры, а Л, В, С—их изображения. Пусть М'—четвертая точка оригинала. Тогда прямая А'М' пересекает прямую В'С в некоторой точке Х\ и изображение этой точки может быть построено (рис. 12).

Пусть теперь оригинал — пространственная фигура, Л', В', С', D'—четыре точки этой фигуры, а Л, Д С, D—их изображения. Пусть М'—пятая точка оригинала. Тогда прямая А'М'', вообще говоря, не пересекает прямых В'С, CD' и D'В' (в этом различие!), а пересекает лишь плоскость В'СD' в некоторой точке X'. Однако изображение X этой точки не может быть построено, если известны только точки Л, Д С, D.

Более полно, пусть мы имеем некоторый оригинал, т. е. совокупность точек, прямых, плоскостей, отрезков, треугольников и. т. д. По всем этим элементам, входящим в оригинал, мы можем однозначно определить еще некоторые другие элементы, жестко связанные с оригиналом. Например, имея в оригинале две точки, мы можем провести соединяющую их прямую, имея три точки, можем определить проходящую через них плоскость, имея прямую и плоскость, можем найти их точку пересечения и т. д. Найдя новые точки, жестко связанные с оригиналом, мы можем проводить прямые и плоскости и через них, далее мы можем найти линию пересечения, скажем, плоскости, входящей в состав оригинала, и уже найденной плоскости, жестко связанной с ним, и т. п. Все получающиеся таким путем новые элементы (прямые, точки и др.) мы будем называть элементами, связанными с оригиналом. Все они однозначно определяются заданием оригинала.

Возникает естественный вопрос, можно ли все эти элементы, связанные с оригиналом, найти на изображении, точнее говоря, можно ли однозначно построить изображение элементов, связанных с оригиналом, имея лишь рисунок (т. е. изображение) самого оригинала? При этом, конечно, речь будет идти об изображении точек, прямых и их комбинаций, так как плоскости могут быть заданы на рисунке лишь находящимися в них точками и прямыми.

Мы сталкиваемся здесь со следующим фактом, имеющим важные последствия для теории изображений. При изображении плоских

фигур всякий элемент (прямая, точка или их комбинация), связанный с оригиналом, определен однозначно и на изображении (на рисунке), а для изображения пространственных фигур это, вообще говоря, не так (ср. рис. 13 и относящийся к нему текст).

Поясним сказанное примерами. Пусть в составе плоской фигуры имеются две прямые а' и b\ а на рисунке — их изображения а и Ь. Прямые а' и Ь\ если они пересекаются, определяют точку пересечения. Их изображения а и если они пересекаются, тоже определяют точку пересечения. Другими словами, если мы уже изобразили прямые а' и Ь' прямыми а и Ь, то мы не можем точку пересечения прямых а' и Ь' изобразить произвольно; ее изображением должна служить вполне определенная точка, а именно точка пересечения прямых а и Ь.

Следующий пример покажет, что для пространственных фигур дело обстоит иначе. На рис. 26 легко узнать изображение фигуры, о которой шла речь на стр. 252: тетраэдр A'BCD' и пятая точка М'\ проведены также отрезки В'М\ CM', D'М'. Прямая А'М' (изображение которой не показано) пересекает плоскость В'С'D' в некоторой точке X'.

В оригинале эта точка вполне определена, а ее изображение X на рисунке не определено. Более того, точку X можно выбрать на прямой AM произвольно.

Вот еще пример. На рис 27 дано изображение системы координат и, кроме того, некоторой точки М'. Если через точку М' провести прямую, параллельную оси Z', то она изобразится прямой, параллельной оси Z. В оригинале эта прямая пересечет плоскость O'X'Y' во вполне определенной точке, а на рисунке мы не можем построить изображение этой точки; это изображение может быть отмечено произвольно.

Отмеченное свойство называется неполнотой рисунка (изображения). Изображение называется полным, если всякий элемент (прямая, точка, их комбинация), связанный с оригиналом, определен однозначно и на изображении. Таким образом, рис. 26 и 27 неполные. Мы в дальнейшем будем рассматривать только полные изображения1).

Изображение четырех (или меньшего числа) точек общего положения всегда полное. Пусть теперь оригинал содержит более

Рис. 26.

1) Относительно неполных изображений см книгу Н. Ф. Четверухина «Изображения пространственных фигур в курсе геометрии», указанную в конце статьи, и его же статью «Полные и неполные изображения» в сборнике, указанном в сноске на стр. 251.

четырех точек общего положения и пусть Л, В, С, D — изображения четырех точек А'у В\ С, D' оригинала, принятых за базис. Для полноты изображения необходимо и достаточно, чтобы для всех остальных элементов, имеющихся на рисунке, была показана их жесткая аффинная связь с базисом.

Именно точки А\ В', С, D' (изображения Л, В, С, D которых заданы), соединяющие их прямые А'В\ В'D' и т. д., а также плоскости А'В'С\ A'CD' и т. д. считаются заданными (т. е. имеющими жесткую аффинную связь с базисом). Если уже известно некоторое количество заданных (т. е. жестко аффинно связанных с базисом) точек, прямых и плоскостей, то новые точки, прямые и плоскости считаются жестко аффинно связанными с базисом (т. е. заданными) в следующих случаях. Точка считается заданной, если дано ее изображение и указана проходящая через нее заданная плоскость (или прямая). Точка также считается заданной, если она указана как точка пересечения двух заданных прямых или прямой и плоскости, или трех заданных плоскостей.

Прямая считается заданной, если дано ее изображение и указана проходящая через нее заданная плоскость. Прямая также считается заданной, если заданы: две ее точки или одна ее точка и параллельная ей прямая, или две проходящие через нее плоскости и т. д.

Наконец, плоскость считается заданной, если указаны три лежащие в ней заданные точки или лежащие в ней заданные точка и прямая, или лежащая в ней заданная точка и параллельная ей заданная плоскость и т. д.

Разберем несколько примеров.

На рис. 28 ABCD — изображение базиса. Прямая X'Y' задана, потому что на рисунке показаны изображения ее следов на плоскостях D'B'C и D'CА' (точки X и Y). Точка М' задана, потому что дано ее изображение и она лежит на заданной прямой.

Рис. 28 полный. Например, в оригинале существует точка Z' пересечения прямой X'Y' с плоскостью А'В'С. Изображение этой

Рис. 27.

Рис. 28.

точки тоже однозначно определено. Построение этого изображения Z показано на рисунке.

На рис. 29 точка М' аффинно привязана к базисному тетраэдру более простым способом.

На рис. 30 изображена система осей О'X'л О'Y', О'Z'. Единицы масштаба не изображены, т. е. на этом рисунке нет изображения базисного тетраэдра. Через точку М' проведены прямые, параллельные осям О'Х', O'Y' и O'Z'; точки пересечения этих прямых с плоскостями Z'K', Z'X' и X'Y' обозначим соответственно через М\, М'2 и M'z. Их изображения Mv Мг и Мг, т. е. изображения оснований точки М', в этом случае (т. е. применительно именно к рис. 30) называются вторичными проекциями точки М'.

Рис. 29. Рис. 30.

Такое название объясняется тем, что в самом оригинале происходит проектирование точки М' на плоскости Y'Z\ Z'X' и X'Y', а затем полученные проекции М'х, М' и М'з вместе со всем оригиналом проектируются на плоскость изображения.

Для того чтобы изображение было полным, достаточно задать кроме M еще одну вторичную проекцию. Остальные две легко строятся.

Из того, что на рис. 30 нет изображения аффинного базиса, вытекает некоторый дефект этого рисунка: он не определяет оригинал метрически (см. 3.7).

3.3. Понятие о параллельной аксонометрии. Назначение всякого изображения—дать представление об оригинале. В лучшем случае изображение представляет оригинал исчерпывающим образом, т. е. имея изображение, можно ответить на любой (геометрический) вопрос, относящийся к оригиналу. Это значит, что оригинал определяется метрически, т. е. с точностью до движения в пространстве. Бывают изображения, которые определяют оригинал

с меньшей точностью, т. е. позволяют ответить на некоторые, но не на все геометрические вопросы, относящиеся к оригиналу.

Сейчас мы ответим на вопрос, в какой мере разные методы изображения позволяют судить об оригинале.

Полное изображение позволяет восстановить оригинал с точностью до аффинного преобразования, потому что оно позволяет построить все элементы, аффинно связанные с оригиналом. Другими словами, полное изображение позволяет ответить на любой относящийся к оригиналу вопрос, имеющий аффинный характер. Например, имея на полном чертеже изображение трех точек, лежащих на одной прямой, мы можем ответить, каково (в оригинале) отношение этих точек, но мы не можем ответить на вопрос, является ли треугольник, изображенный на некотором рисунке, правильным (если только нам не известны еще какие-нибудь свойства изображения, кроме полноты).

Неполные изображения не позволяют судить об оригинале даже с точностью до аффинного преобразования.

Какие нужны условия, чтобы изображение определяло оригинал более точно? На рис. 24 показано изображение тетраэдра. Согласно теореме Польке — Шварца этот рисунок может быть изображением любого тетраэдра. Значит, имея рис. 24, мы ничего не можем сказать о тетраэдре-оригинале. С другой стороны, любой тетраэдр А'В'CD' может быть переведен в любой другой тетраэдр A'^Cfi^ аффинным преобразованием. Следовательно, рис. 24 определяет оригинал лишь с точностью до аффинного преобразования.

Рассмотрим теперь рис. 29. На нем, кроме базисного тетраэдра, изображена точка М' по правилам, установленным для полного изображения. Изображение базисного тетраэдра может относиться к любому тетраэдру, например к А'В'CD' или к AXB\C\D'. Какой бы из этих двух тетраэдров мы ни выбрали, в пространстве однозначно определится некоторая точка, аффинно связанная с этим тетраэдром так, как это показано на рисунке. В нервом случае это будет точка М', а во втором М'%. Аффинное преобразование, переводящее тетраэдр A'B'C'D' в тетраэдр A\B\C\D\, переводит точку М' в Mj, т. е. система точек Л'В'CD'M' получается из системы A\B^xClD'lMl афинным преобразованием. Это рассуждение может быть проведено для любого элемента,имеющего жесткую аффинную связь с базисом. Поэтому справедлива следующая теорема (аналогичная геореме 2).

Теорема 4. Если изображение полное и содержит изображение базисного тетраэдра, то оно определяет оригинал с точностью до аффинного преобразования, т. е. позволяет ответить на всякий вопрос, касающийся аффинных свойств оригинала

Как же придать рисунку полную определенность, т. е. сделать его метрически определенным? В рамках метода «Параллельные

проекции на одну плоскость» для этого применяется особая разновидность этого метода, называющаяся параллельной аксонометрией; для краткости мы пока будем называть ее просто аксонометрией.

Аксонометрия заключается в том, что к полному изображению, содержащему изображение базисного тетраэдра, добавляется словесное примечание, указывающее метрические параметры этого тетраэдра, т. е. указывается, как принято говорить в начертательной геометрии, реконструкция этого тетраэдра.

Мы уже говорили, что изображение тетраэдра может считаться изображением любого тетраэдра. Воспользовавшись этой неопределенностью, выберем какой-нибудь тетраэдр и объявим, что имеющееся на рисунке изображение базисного тетраэдра есть изображение именно этого тетраэдра.

Возьмем какой-нибудь тетраэдр A'B'C'D' указанных размеров. Всякое аффинное преобразование, оставляющее точки А', В', С, D' на месте, есть тождественное преобразование, т. е. оно оставляет на месте все точки пространства. Значит, вместе с точками А\ В', С, D' займут фиксированные положения все лишние элементы оригинала, т. е. оригинал метрически определен.

Например, рис. 29, дополненный следующей реконструкцией базисного тетраэдра:

^/&4С=50°, AB =52 см,

Z. CAD = 60°, АС= 40 см,

£ DAB = 90°, AD = 58 см,

становится метрически определенным. Он определяет оригинал полностью, т. е. позволяет ответить на любые вопросы, касающиеся оригинала, например, каков угол прямой А'М' с плоскостью B'C'D'.

Итак, аксонометрия есть метод изображения, характеризующийся следующими четырьмя признаками:

1) изображение строится по методу параллельной1) проекции на одну плоскость,

2) оно полное,

3) оно содержит изображение базисного тетраэдра,

4) к изображению дополнительно прилагается реконструкция базисного тетраэдра.

Аксонометрическое изображение есть изображение метрически определенное, т. е. оно определяет оригинал полностью.

В учебниках начертательной геометрии аксонометрия рассматривается с несколько иной точки зрения. Оригинал связывается с не-

1) Мы пока говорим о параллельной аксонометрии. Существует еще центральная, аксонометрия, о которой говорится ниже (стр. 282).

которой системой координат и затем вместе с этой системой координат проектируется на плоскость изображения. При этом на изображении должна быть показана аффинная связь всех элементов оригинала с системой координат. Само слово «аксонометрия» значит «измерение по осям» (от греческих слов άξων—-ось, μετρέω —измеряю). Изображение на рис. 31 —аксонометрическое, если, например, дано, что система координат прямоугольная, единицы масштаба по всем осям одинаковые и каждая из них равна 1 см. Легко узнать длину отрезка А'В'. Это ясно из того, что по рисунку можно измерить координаты точек А' и В'

А' (2, 2, 2), ß' (4, 5, 4).

Ясно, что такое понимание аксонометрии вполне совпадает с данным выше определением, потому что задание изображения системы координат равносильно заданию изображения базисного тетраэдра.

Координатная система на аксонометрических рисунках часто задается не при помощи осей ОХ, OY и OZ, а при помощи изображения разных предметов (большей частью — куба), размеры которых известны. Если, например, известно, что нижнее тело, изображенное на рис. 32, есть куб с ребром 1 м, то можно утверждать, что на нем стоит правильная шестиугольная призма (обратить внимание, в каких отношениях вершины шестиугольника делят стороны квадрата!) высота которой равна 50 см, и боковые грани которой — квадра ты.

3.4. Условные изображения. Изображения, для истолкования которых необходимы некоторые дополнительно сообщаемые условия, называются условными изображениями1). К ним, следовательно, принадлежат и аксонометрические изображения.

Рис. 31.

Рис. 32.

1) См. статью Н. Ф. Четверухина «Условные изображения и параметрический метод их построения» в сборнике, указанном в сноске на стр. 251.

Громадное большинство изображений, в том числе художественные изображения, условные. Эта условность замаскирована тем обстоятельством, что дополнительные условия не формулируются явно, как это имело место для рис. 31 и 32, а подразумеваются.

Возьмем какое-нибудь произведение живописи1). На нем бывают изображены предметы, форма и размеры которых нам заранее известны. Если на картине мы видим человека, то знаем без специальных примечаний, что его рост 160—180 см, а если видим телеграфные столбы и рельсы, то знаем, что столб перпендикулярен рельсу. Это и есть условия, которые не формулируются явно.

Бывают изображения, где одни предметы знакомы, а другие нет. Незнакомые предметы познаются по связям со знакомыми, подобно тому как на рис. 32 размеры и форма шестиугольной призмы определяются по ее связям с кубом, на котором она стоит. Например, изображая какую-нибудь новую машину, около нее изображают также людей; это дает нам представление о размерах машины.

Если вообразить произведение живописи, на котором не было бы изображено ни одного знакомого предмета, то мы не смогли бы понять ни формы, ни размеров оригиналов.

3.5. Примеры построения аксонометрических изображений. Рассмотрим несколько типичных примеров построения аксонометрических изображений.

Пример 1. Правильная четырехугольная пирамида. В основании пирамиды лежит квадрат. Его можно изобразить любым параллелограммом ABCD (рис. 33). Изобразив этот квадрат, мы частично использовали права, предоставляемые нам теоремой Польке — Шварца, а именно мы произвольно изобразили два равных взаимно перпендикулярных отрезка А'В' и A'D'. Тем самым метрика в плоскости ABCD вполне определена, и в ней больше ничего нельзя изображать произвольно. На основании георемы Польке — Шварца мы можем произвольно изобразить еще один отрезок, некомпланарный с А'В' и A'D\ например мы можем произвольно изобразить высоту пирамиды (даже предполагая, что длина высоты задана). Произвол заключается в том,

Рис. 33.

1) Разумеется, речь идет о произведении, относящемся к реалистической живописи, т е о произведении, претендующем на сравнительно точное изображение действительных предметов.

что мы можем взять изображение высоты любой длины и под любым углом к AB. Однако мы не можем произвольно выбирать основание высоты, потому что в плоскости основания вся метрика определилась. Основанием высоты должна служить точка пересечения диагоналей основания. Нам остается только произвольно взять вершину 5. Мы изобразили высоту параллельно боковым краям страницы. Это объясняется тем, что обычно высота рассматриваемой пирамиды вертикальна. Если мы поместим страницу 259-ю прямо перед собой в вертикальном положении, то отрезок SO займет привычное положение.

Пример 2. Прямой круговой конус. Основание конуса изобразится произвольным эллипсом (рис. 34). Вершина 5 изображается произвольно. Контурные образующие (т. е. входящие в контур изображения; контур изображения короче называется абрисом)— касательные к эллипсу, проведенные из точки S. Разумеется, они касаются эллипса не в двух вершинах, как это бывает на плохих рисунках. Осевое сечение получится, если мы проведем любой диаметр эллипса, но отнюдь не соединением точек касания контурных образующих.

Рис.. 34.

Пример 3. Шар. При параллельном проектировании шара получается либо окружность, либо эллипс с неравными осями. Это значит, что в ортогональной проекции абрис шара — окружность, а в косоугольной—эллипс. Изображение шара в виде эллипса кажется не наглядным (условия наглядности изображения будут разбираться на стр. 271—272), поэтому шар целесообразно всегда изображать в ортогональной проекции.

Итак, сначала начертим окружность, представляющую абрис. Затем начертим эллипс, изображающий сечение шара по какому-либо большому кругу (рис. 35); для краткости речи назовем это сечение экваториальным. Перпендикуляр к плоскости большого круга, восставленный в центре, пересекает сферу в двух точках, называемых полюсами, сопряженными с этим большим кругом. Для краткости будем называть их Северным и Южным полюсами.

Распространенная ошибка — помещать полюсы на абрисе. При таком изображении экватора, как на рис. 35, ясно, что глаз наблюдателя находится выше плоскости экватора. Поэтому наблюдатель видит Северный полюс ниже абриса, а Южный полюс находится на задней, невидимой для наблюдателя части шара.

Только в том случае, если бы проектирующие прямые были параллельны плоскости экватора, полюсы помещались бы на абрисе,

но в этом случае экватор изображался бы не эллипсом, а отрезком. Чем шире эллипс, изображающий экватор, тем дальше от абриса находятся полюсы.

На рис. 35 показано, как построить полюсы, если дано изображение экватора; ДБ— большая ось эллипса. Вообразим диаметр шара А'В' и перпендикуляр к плоскости экватора N'S' (N* —Северный полюс, S' — Южный). Вообразим две плоскости—фронтальную (параллельную А'В') и профильную (перпендикулярную А'В). На рис. 35 слева показана проекция на фронтальную плоскость (вид спереди), а справа показана проекция на профильную плоскость (вид сбоку).

Система «экваториальный круг и диаметр N'S'v в проекции на профильную плоскость дает два взаимно перпендикулярных диаметра круга.

Теперь легко понять следующее построение.

Сносим на правый круг малую ось эллипса. Проводим в круге соответствующий диаметр; этот диаметр — проекция экваториального круга. Проводим перпендикулярный диаметр; это — проекция диаметра N'S'. Сносим его концы, как показано, на левый рисунок.

3.6. Общие методы построения аксонометрических изображений. Выше мы рассмотрели некоторые отдельные примеры построения аксонометрических изображений, а теперь перейдем к общим методам.

Покажем два из них, наиболее простые по идее:

1) метод координатной сетки и

2) вычислительный.

Метод координатной сетки основан на том, что, имея изображение координатной системы, можно построить изображение точки, если известны ее координаты. Эти координаты без пересчета откладываются параллельно аксонометрическим осям, причем для каждой оси употребляется своя аксонометрическая единица.

Рис. 35.

Построим в ортогональной диметрии1) изображение прямой шестиугольной призмы, из которой вырезан прямой круговой цилиндр. Оси этих тел совпадают. Сторона основания призмы равна е, радиус основания цилиндра равен у, высота обоих тел равна 2е.

Пусть призма стоит на плоскости Х'У\ ось ее расположена на оси Z' и пара противоположных вершин основания лежит на оси Xе Тогда вершины основания имеют координаты

(здесь положено £=1).

На рис. 36 эти точки построены по аксонометрической координатной сетке. Разумеется, по координатам построены только первые две точки, а остальные — на основании симметрии. Вершины верхнего основания должны быть подняты параллельно оси Z на 2е. После этого получится рис. 37.

Рис. 36. Рис. 37.

Заметим теперь, что для построения изображения методом координатной сетки вовсе нет необходимости знать координаты точек оригинала. Можно копировать оригинал графически. На рис. 38, а изображена окружность, ее диаметр разделен на десять частей. На рис. 38, б взят координатный репер, соответствующий рис. 37 (для наглядности он увеличен в три раза); по осям X и У отложены

1) Ортогональная диметрия — вид аксонометрии, в котором координатная сетка—такая, как изображена на рис. 49. При рассмотрении этого примера особенности ортогональной диметрии не играют никакой роли; просто мы должны задаться любой координатной сеткой.

отрезки-^- и -у. Точки окружности переносятся на рис. 38,6 в такое же положение по новой сетке, какое они занимали на рис. 38, а по старой сетке. Новую сетку можно было бы сразу нанести на рис. 37 на верхнее и нижнее основания призмы. Получится рис. 39; оси координат не обозначены.

Рис. 38.

Рис, 39.

Метод координатной сетки имеет то неудобство, что приходится предварительно строить эту сетку. Это загромождает рисунок лишними линиями, которые потом приходится стирать, и значительно уменьшает точность.

От этих недостатков свободен вычислительный метод, заключающийся в вычислении прямоугольных координат точек изображения и в нанесении этих точек на миллиметровке.

Изображение есть аффинное отображение оригинала. Следовательно, координаты точек изображения—линейные функции координат точек оригинала1). Введем на плоскости изображения прямоугольную декартову систему координат (£, т)). Тогда

*\=а21х' +а22у' + a2Zz\ \

где х\ у\ z' — координаты точки оригинала, а \л г] — координаты ее изображения. Свободные члены положены равными нулю. Это значит, что за начало координат системы (£, т)) принято изображение точки jc'=/ = z' = 0.

1) Ср. § 3 статьи «Геометрические преобразования», стр. 75 — 77 этой книги ЭЭШ.

Коэффициенты в формулах (1) могут быть определены, если задаться изображением базисного тетраэдра. Возьмем, например, ортогональную изометрию1). Если наложить соответствующий репер на систему (£, т]), то получится рис. 40. Обозначим размер аксонометрических единиц через

OEl = OE2 = OEs = e.

Тогда точка Ег имеет в системе (I, т|) координаты \ =—^—. Ее оригинал Ег имеет координаты х' = 1, у' = 0, z' = 0.

Рис. 40.

Повторяя это сопоставление для точек Е2 и Ег, заключаем: точка (1, 0, 0) переходит в точку

Подставляя эти координаты в формулы (1), мы получим систему шести уравнений относительно шести известных aif, из которой определим все коэффициенты:

Следовательно, формулы (1) для ортогональной изометрии примут вид

(2)

Изобразим в ортогональной изометрии тело, показанное на рис. 39. Прежде всего надо выбрать желаемый размер рисунка. Положим.

1) См. стр. 273. Ортогональная изометрия имеет аксонометрический репер, показанный на рис. 50.

например, е = 25мм и запишем формулы (2) так:

(3)

Формулы (3) дают £ и г) прямо в миллиметрах. Запишем координаты вершин призмы (пока только нижнего основания).

Подставляя эти координаты в формулы (3), получим следующую таблицу (в ней g и т| даны до десятых долей миллиметра; это максимальная точность, которую может реализовать на глаз опытный чертежник при работе на миллиметровке).

Вершины верхнего основания отличаются от вершин нижнего основания тем, что для них z' =2. Из формул (3) ясно, что для изображений значения \ будут те же, а значения т) увеличатся на 50 мм. Мы не приводим соответствующих таблиц.

Для изображения выреза возьмем на окружности точки через каждые 30°. На практике их берут значительно чаще, но мы здесь только иллюстрируем сущность метода. Координаты точек окружности (нижней) вычисляются по формулам:

Таблица справа (на стр. 266) дает координаты точек изображения; Tjj относится к нижнему основанию цилиндра, а т)2—к верхнему.. Величины Tjj и цг связаны очень просто:

Теперь остается взять миллиметровку и наносить точки по координатам (с, г]) Получим рис. 411).

Читатель должен иметь в виду, что мы выбрали очень простые примеры, желая только иллюстрировать метод координатной сетки и вычислительный метод. Эти методы, особенно вычислительный, предназначены для сложных оригиналов. Рассмотренный здесь оригинал можно изобразить более элементарными способами. В частности, когда изображение шестиугольника уже построено, то можно соединить его центр с вершинами и соединительные отрезки разделить пополам. Эллипс проходит через середины этих отрезков. Кроме того, можно указать направления, сопряженные построенным относительно этого эллипса. По этим данным эллипс строится гораздо проще, чем это сделано в тексте.

3.7. Аксонометризация чертежа. Аксонометризацией чертежа называется добавление к полному чертежу таких условий, относящихся к оригиналу, что чертеж становится метрически определенным.

Приведем пример На рис. 42 показаны оси координат и плоскость, заданная следами. Чертеж этот определяет оригинал только с точностью до аффинного преобразования. Пусть дано дополнительно,

Рис. 41.

1) Подробности о вычислительном методе читатель может найти n работе H. M Бескина. Вычислительный метод построения изображений, сб. «Методы начертательной геометрии и ее приложения» под ред. Н. Ф. Четверухина, М., 1955, стр. 83—99.

что система координат прямоугольная:

XV Y=Z. Y'O'Z' = /_ Z'0'Х' = 90°.

Это условие еще не делает чертеж аксонометрическим, потому что неизвестны отрезки О' А', О'В', О'С.

Допустим, что требуется изобразить перпендикуляр, опущенный из начала координат на плоскость А'В'С'. Обозначим основание этого перпендикуляра через Р'. За Р (изображение точки Р') можно принять любую точку внутри треугольника ABC, это подтверждает метрическую неопределенность чертежа. Если бы ребра Ö А', О'В\ О'С были известны, то перпендикуляр ОР нельзя было бы изобразить произвольно: положение точки Р было бы вполне определенным.

Обратно, если мы на рис. 42 изобразим перпендикуляр, т. е. выберем произвольно точку Р, то определятся отношения ребер О' А' :0'В' :0'С, т. е. чертеж станет метрически определенным с точностью до масштаба. Докажем это утверждение. Для этого покажем, что, задав любую точку Р внутри треугольника ABC, можно, и притом единственным образом, реконструировать тетраэдр О'А'В'С (с точностью до масштаба).

Точка Р лежит внутри треугольника ABC потому, что высота тетраэдра с прямыми плоскими углами при вершине проходит через точку пересечения высот основания, а последняя точка в данном случае лежит внутри потому, что треугольник А'В'С остроугольный. В самом деле, квадраты его сторон суть

и сумма любых двух из этих квадратов больше третьего.

На рис. 43, а отдельно изображен треугольник следов ABC рис. 42 и внутри него произвольно взята точка Р. Через нее проведены прямые AL, ВМ и CN.

Так как О'Р'—высота тетраэдра О'А'В'С, то, как было сказано выше, точка Р' есть точка пересечения высот треугольника А'В'С. Значит, AL, ВМ и CN — изображения высот. Задача, стоящая перед нами, может быть теперь сформулирована так: дано аффинное изображение треугольника с высотами (рис. 43, а) и требуется восстановить оригинал (с точностью до размера).

Рис. 42.

Неопределенность размера позволяет нам выбрать один отрезок произвольно; выберем сторону А'В' (рис. 43,6). Построим точку N'

По условию

Затем восставим в точке Лг/ перпендикуляр к А 'В'\ точка С должна лежать на этом перпендикуляре.

Построим на А ' В' л как на диаметре, полуокружность. Точки I/ и М' должны лежать на этой полуокружности, потому что

Рис. 43.

Так как точки V и С должны удовлетворять условию

то точка С должна лежать на полуокружности, получающейся из построенной ранее полуокружности при помощи гомотетии1) с центром В' и коэффициентом ^ (отношение ^ нам известно из рис. 43, а). Эту полуокружность легко построить, найдя на прямой А'В' точку 5 из условия

и приняв B'S за диаметр. Значит, точка С есть точка пересечения этой полуокружности с перпендикуляром к прямой А'В' в точке N'. Тем самым треугольник А' В'С построен.

Чтобы не загромождать чертежа, дальнейшая реконструкция тетраэдра О'А'В'С' продолжена на отдельном рис. 43, е. На этом рисунке снова воспроизведен только что построенный треугольник А'В'С с высотами A'U, В'M' и C'A/'.

Согласно теореме о трех перпендикулярах точка L' служит не только основанием высоты A'L', но и основанием высоты O'L' боковой грани О'В'С. Поэтому, если построить развертку тетраэдра О'А'В'С', разрезав его по ребрам О'А', О'В' и ОС и совместив боковые грани с плоскостью основания, то точка О' попадет на продолжение высоты A'L'. Кроме того, эта точка должна лежать на полуокружности, построенной на В'С как на диаметре. На рис. 43, в показано построение точек Ои 02 и 03> в которые перейдет общая вершина О' трех боковых граней при развертке.

Если даны некоторые метрические условия, касающиеся оригинала, недостаточные для того, чтобы чертеж стал метрически определенным, то получается частичная аксонометризация чертежа. Например, если известно, что на рис. 44 точки Р' и Q' лежат соответственно в нижней и верхней гранях параллелепипеда и прямая P'Q' перпендикулярна этим граням, то рис. 44 частично аксонометризованный. Высоту параллелепипеда, проведенную из точки А', нельзя изобразить произвольно: ее надо чертить параллельно PQ. Высоту же грани А'В'CD', проведенную из точки А', можно изобразить произвольно.

Частично аксонометризованный чертеж требует большой осторожности в обращении с ним, потому что на нем кое-что можно изображать произвольно, а кое-что нельзя. Вот поучительный пример возможных здесь ошибок.

1) Определение гомотетии см. на стр. 55 этой книги ЭЭМ.

В течение многих веков было принято изображать на рисунке плоскость в виде параллелограмма. При этом негласно предполагалось, что этот параллелограмм изображает прямоугольный кусок плоскости. Тем самым в рисунок вносилась частичная аксонометризация (показаны два перпендикулярных направления). Эта частичная аксонометризация ограничивает свободу изображений в плоскости. На это обстоятельство не обращали внимания, что приводило к ошибкам. Поэтому за последние годы все больше распространяется обыкновение изображать кусок плоскости с оборванными краями.

Пусть, например, требуется изобразить правильную четырехугольную пирамиду, стоящую на горизонтальной плоскости. Квадрат, служащий основанием пирамиды, может быть изображен любым параллелограммом, но на рис. 45, а это положение неприменимо ввиду частичной аксонометризации. Рис. 45, а неправилен, потому что на нем два различных направления (AD и LO) изображают перпендикуляры к одному и тому же направлению (>Ш|| 1Л1). На рис. 45,6 то же самое изображение правильной четырехугольной пирамиды показано на плоскости с оборванными краями; этот рисунок верен.

На рис. 46, а изображен прямой круговой конус. Рис. 46, а неправилен. Его ошибочность обнаруживается, если провести два сопряженных диаметра эллипса, один из которых параллелен какому-нибудь «краю» плоскости. На рис. 46, a CD\\LO, a AB^LM. Рис. 46, б правилен.

Рис. 44.

Рис. 45.

Предостережем читателя еще от одной возможной ошибки. Каждый из рис. 45,6 и 46,6 в отдельности правилен, но если бы мы использовали оба эти изображения, показав правильную четырехугольную пирамиду и конус, стоящие на одной и той же плоскости, хотя бы и с оборванными краями, то мы получили бы ошибочный рисунок. Пирамида (рис. 45, б) определяет метрику в плоскости основания, конус (рис. 46, б) тоже, и эти метрики не совпадают.

3.8. Ортогональная (прямоугольная) аксонометрия. До сих пор мы рассматривали свободные изображения. В инженерной практике весьма распространена аксонометрия с заданными параметрами.

Согласно теореме Польке — Шварца куб можно изобразить произвольно, например так, как на рис. 47. Между тем человек, не изучавший начертательной геометрии, не поверит, что это куб, так как это изображение не похоже на куб. Это ставит перед нами вопрос: от чего зависит наглядность изображения, т. е. сходство с оригиналом?

В параллельной проекции изображение показывает оригинал так, как он виден наблюдателю, смотрящему с очень далекого расстояния вдоль проектирующих прямых. Самый процесс проектирования близок к геометрическому процессу зрения. Однако при рассматривании любого предмета мы всегда помещаемся перед ним. Плоскость изображения следует вообразить перед предметом или за предметом. Все лучи зрения (при рассматривании издалека) перпендикулярны плоскости изображения. Поэтому самое наглядное изображение получается при ортогональном или близком к ортогональному проектировании.

Рис. 46.

Рис. 47.

Возвращаясь к рис. 47, скажем, что для того, чтобы изображение было «похоже» на оригинал, надо, во-первых, чтобы оно было построено без нарушения геометрических правил (которые аналогичны законам зрения) и, во-вторых, чтобы оно давало вид оригинала с привычной точки зрения. Изображение куба на рис. 47 не удовлетворяет второму условию. Здесь глаз наблюдателя помещается чуть сверху, чуть впереди и очень далеко влево. Угол проектирующих лучей к плоскости изображения а=5г1401), т. е. проекция очень далека от ортогональной.

Кроме угла а, аксонометрия характеризуется следующими параметрами:

а, ß, у— углы проектирующих лучей с натуральными осями. В аксонометрии принято называть натуральным все, что относится к оригиналу, а аксонометрическим — все, что относится к изображению. Например, О'Х\ O'Y', О'Z' — натуральные оси, а ОХ, OY, OZ — аксонометрические оси.

р, q, г— показатели (коэффициенты) искажения. Так называются отношения аксонометрических единиц ех = ОЕх, е2 = ОЕ2, $z = ОЕз к натуральной единице е (она предполагается одинаковой по всем осям):

(4)

Рис. 48.

Предостережем читателя от возможного недоразумения. В учебниках начертательной геометрии он может встретить утверждение, что в ортогональной аксонометрии (т. е. аксонометрии с углом а — 90°) коэффициенты искажения связаны формулой

p2+q2 + r2 = 2.

Разъясняем, что эта нормировка имеет силу лишь в том случае, если изображение есть непосредственная проекция оригинала на плоскость. Мы же рассматриваем метод изображения, заключающийся

1) Здесь мы сталкиваемся с задачей: имея уже выполненное изображение в параллельной проекции, найти параметры, определяющие проекти рующий аппарат. Например, зная, что на рис. 47 изображен куб, узнать угол а. Графическое решение этой задачи дано в книге Е. А. Глазунова и Н.Ф. Четверухина [2] (см. список литературы в конце статьи) в § 9, а аналитическое — в статье А. И. Островского «Основные формулы параллельной аксонометрии» (Труды московского семинара по начертательной геометрии и инженерной графике, Москва, 1958, стр. 108—110).

в параллельном проектировании и последующем подобном преобразовании. В этом случае все коэффициенты искажения могут быть заданы произвольно, однако с соблюдением неравенств: квадрат любого коэффициента искажения не превышает суммы квадратов двух других.

Углы между аксонометрическими осями (рис. 48) принято обозначать так:

(5)

Между перечисленными параметрами существуют связи. Выбирая какую-нибудь ортогональную аксонометрическую проекцию, естественнее всего задаться коэффициентами искажения. Заметим, что если все коэффициенты искажения различны, то изображение называется три метрическим, если два из них одинаковы, а третий отличен от них, то диметрическим, если все три одинаковы, то изометрическим.

Если все коэффициенты искажения заданы, то остальные параметры выражаются так:

(6)

(7)

Если проектирующий луч ОО' проходит в первом октанте, то углы co^cög и о)8 — тупые. Вывод этих формул вполне элементарен, и мы его не приводим.

Выбирая параметры ортогональной аксонометрии, мы исходим из того, какие размеры должны иметь изображения ребер базисного куба, т. е. куба с вершиной О' и ребрами, идущими по осям О'X', О'У, О'Z'. При этом следует различать два случая. Первый — когда

базисный куб имеет определенные размеры. Например, его ребро е= 1 м, а размеры изображения должны быть ех = 1 см, е2 = ez = 2 сл*. В этом случае коэффициенты искажения определяются точно

р = 0,01, ^ = г = 0,02.

Второй случай —когда размеры базисного куба не указаны, т. е.

требуется какой-нибудь куб (с ребрами, параллельными координатным осям) изобразить так, чтобы было ех = 1 см, е2 = ez = 2 см. В этом случае коэффициенты искажения определяются только с точностью до множителя, т. е. определяются только их отношения

p:q:r = 1:2:2.

Можно, например, положить р=\, q = r= 2. Выбор множителя несуществен, потому что правые части формул (6) и (7) однородны относительно р, q, г. Полагая р=1, q = r = 2, вычислим, например, (ùv со2, со8:

Учитывая, что углы со,, со2 и о)3 тупые, найдем

©1^97°1Г^97°, со2 = о)3^13Г25,^13Г

(рис. 49). Мы видим, что выбор коэффициентов искажения в ортогональной аксонометрии вполне определяет углы между аксонометрическими осями.

Рассмотрим еще чрезвычайно употребительную систему—ортогональную изометрию. Полагая p = q = r=\, получим

В этом случае (ах = (о2 = сля = 120°. Изображение системы координат показано на рис. 50. Куб выглядит, как показано на рис. 51. Как

Рис. 49.

видно, a = ß = y, т. е. направление проектирующих прямых совпадает с направлением диагонали куба. Все это дает следующую геометрическую картину: надо провести плоскость изображения перпендикулярно диагонали куба и проектировать на нее по направлению, параллельному этой диагонали. Тогда получится такое изображение, как на рис. 51. Из двух вершин куба, лежащих на проектирующей диагонали, одна заслоняет другую.

§ 4. Метод Монжа

4.1. Комбинированные изображения. Аксонометрия — один из методов получения метрически определенного изображения. Из других методов наибольшее распространение имеют так называемые комбинированные изображения. Как мы говорили выше, плоское точечное изображение не может (без дополнительных условий) определять оригинал из-за нехватки одного параметра. Поэтому иногда задают несколько разных изображений одного оригинала. Систему нескольких изображений одного оригинала называют комбинированным изображением или комплексным чертежом.

4.2. Сущность метода Монжа. Примером комбинированного изображения служит широко известный метод Монжа.

В методе Монжа точка пространства ортогонально проектируется на две взаимно перпендикулярные плоскости — горизонтальную И1 и фронтальную П2 (рис. 52). Получающиеся точки Ж, и М2 называются соответственно горизонтальной и фронтальной проекциями точки М'. Затем плоскость П2 вращается в направлении, указанном стрелкой, до совмещения с плоскостью П,. После совмещения получается рис. 53, называемый эпюром Монжа. Нд эпюре Монжа точка М' определяется двумя проекциями Мх и М2, но эти проекции не могут задаваться обе вполне произвольно: они должны лежать на прямой, перпендикулярной оси проекций XX] эта прямая называется линией связи.

Рис. 50. Рис. 51.

Точка на плоскости задается двумя координатами. Поэтому задать одну проекцию точки, например горизонтальную, значит задать две координаты. Задание фронтальной проекции, которая должна лежать на уже известной прямой (проходящей через точку Мх перпендикулярно XX), равносильно заданию еще одной координаты. Тем самым положение точки М' в пространстве полностью определяется. Если задана только горизонтальная проекция, то определяется бесконечное множество конкурирующих точек, лежащих на одном перпендикуляре к плоскости П1. Эти конкурирующие точки различаются своими фронтальными проекциями. Задание фронтальной проекции эквивалентно также заданию числовой отметки, указывающей высоту точки над горизонтальной плоскостью.

Бывают исключительные случаи, когда задания двух проекций недостаточно. Например, если плоскость а перпендикулярна плоскостям Пх и П2, то прямые, лежащие в этой плоскости, невозможно различить по своим проекциям. В таких случаях задается еще третья проекция — профильная.

Метод Монжа определяет оригинал метрически точно, т. е., имея изображение в виде эпюра Монжа, можно ответить на любой вопрос, относящийся к оригиналу.

Мы не вдаемся ни в какие подробности, касающиеся метода Монжа, потому что он детально излагается во всех учебниках начертательной геометрии и изучается в средней школе (в курсе черчения). Заметим, что идея задавать оригинал двумя проекциями принадлежит не Монжу, а является гораздо более старой. Она применялась, например, древнеримским архитектором Витрувием. Монж вперзые привел этот метод в систему и показал, что можно не только изобразить любой оригинал, но и, пользуясь этим изображением, решить все геометрические задачи, относящиеся к оригиналу1).

Рис. 52.

Рис. 53.

1) См. по этому вопросу вступительную статью Д. И. Каргина к книге Г. Монжа [3], указанной в конце статьи.

§ 5. Центральные проекции

5.1. Свойства центральной проекции. Теория центральных проекций сложнее теории параллельных проекций настолько, насколько проективное преобразование сложнее аффинного. Мы изложим некоторые вопросы, относящиеся к центральным проекциям, исходя из тех же проблем, которые решались для параллельных проекций, и указывая, в чем заключается разница в ответах.

Центральная проекция строится следующим образом. Фиксируем в пространстве центр проекции 5 и плоскость проекции а (рис. 54). Пусть М'—любая точка пространства, отличная от S. Проводим прямую SM' (проектирующая прямая); точка M ее пересечения с плоскостью а считается изображением точки М'.

Центральную проекцию удобно рассматривать только в проективном пространстве (параллельную проекцию мы изучали в аффинном пространстве). Если мы не введем несобственных (бесконечно удаленных) элементов1), то нельзя будет утверждать, что всякая точка пространства имеет изображение (потому что проектирующая прямая SM' может оказаться параллельной плоскости а). В проективном пространстве всякая точка (кроме S) имеет изображение. При этом изображение собственной точки может оказаться несобственной точкой и изображение несобственной точки может оказаться собственной точкой.

Центральные проекции обладают следующими свойствами (сравните со свойствами 1—4 параллельных проекций, стр. 235—236):

1. Каждой точке пространства, кроме центра проекции, однозначно соответствует точка на (проективной!) плоскости а.

Конкурирующие точки — те, которые лежат на одной прямой, проходящей через S.

2. Прямая, если только она не проектирующая, изображается прямой; проектирующая прямая изображается точкой.

3. Если точки А', В', С, D' принадлежат одной прямой (не проектирующей), то

Иначе говоря: сложное отношение четырех точек, лежащих па одной прямой, есть инвариант центрального проектирования.

Рис. 54.

1) Ср. § 7 статьи «Геометрические преобразования», стр. 112—113 этой книги ЭЭМ.

Условимся теперь, что полученную в плоскости а центральную проекцию мы еще будем подвергать произвольному аффинному преобразованию1) (в плоскости а). Таким образом, изображение точки по методу центральных проекции не есть непосредственная центральная проекция этой точки.

Теперь, опуская доказательства, сопоставим свойства изображений по методу центральной и параллельной проекций.

Изображая плоскую фигуру в параллельной проекции, можно произвольно изобразить любой треугольник, а в центральной проекции— любой четырехвершинник2) (т. е. четыре точки общего положения в плоскости).

Если какой-нибудь четырехвершинник, входящий в состав плоской фигуры, уже изображен, то изображения всех остальных точек этой фигуры однозначно определяются (в параллельной проекции такую роль играл треугольник, или, что то же самое, «трехвершинник»). Пусть А'В'С D' — оригинал (рис. 55, a), a ABCD — изображение (рис. 55,6); Е', F', С—диагональные точки четырехугольника А'В'CD', Е, F, G—соответственные диагональные точки четырехугольника ABCD. Пусть М'—еще одна точка оригинала. Прямая А'М' пересекает прямые В'С, CD' и B'D' соответственно в точках X'', У и Z'. Изображения этих точек вполне определены сложными отношениями, которые должны быть одинаковы в оригинале и в изображении3)

(BCFX) = (B'C'F'X').

Это равенство позволяет найти точку X. Аналогично находятся точки Y и Z. Впрочем, точки Y и Z можно найти как пересечения

1) Искажение, которому подвергается оригинал при замене его изображением, принципиально не увеличилось бы, если бы мы подвергли полученную проекцию не аффинному, а любому проективному преобразованию, потому что само центральное проектирование есть проективное преобразование. Мы ограничиваемся аффинным преобразованием (для большой элементарности изложения) именно потому, что эта разница несущественна.

2) Мы говорим здесь о «четырехвершиннике», а не о четырехугольнике в обычном смысле слова (который имеет четыре «стороны» и две «диагонали»), поскольку при центральном проектировании различие между «сторонами» и -диагоналями» теряет смысл. Мы считаем, что четырехвершинник A'B'CD' имеет три пары противоположных сторон А'В' и CD', А'С и B'D', A'D' и В'С (всего шесть сторон). Каждая пара противоположных сторон четырехвершинника имеет точку пересечения, называемую его диагональной точкой. Всего, таким образом, у четырехвершинника есть три диагональных точки.

3) Символ (ABCD) обозначает сложное отношение

прямой АХ соответственно с прямыми DE и BD (ибо прямые переходят в прямые, их точки пересечения—в точки пересечения). Положение точки M на прямой АХ определяется из условия

(AXYM) = (A'X'Y'Mf)

(вместо пары точек X, Y можно пользоваться парами К, Z или Z, X).

Рис. 55.

5.2. Проективные координаты. Полезно видеть четырехвершинник и с иной точки зрения. На рис 56 четырехвершинник ОЕхЕЕ2 дополнен двумя диагональными точками Fx и Ft. Задание точки общего положения Е может быть заменено заданием двух точек F, и F2 на прямых ОЕх и ОЕ2. Две оси ОХ и 07 и по две точки на каждой из них (кроме О) образуют проективную систему координат. На рис. 57 дано сопоставление аффинной и проективной систем координат. На рис. 57, а показаны оси ОХ к OY и на каждой оси — ее единичная точка. Если M — любая точка плоскости, то для определения ее аффинных координат следует провести через нее прямые, параллельные осям X и К (т. е. прямые, проходящие через несобственные точки этих осей). Эти прямые определят на осях ОХ и OY точки Рх и Р2.

Рис. 56.

Отношения

суть аффинные координаты точки М.

На рис. 57,6 показаны оси ОХ и OY и на каждой оси по д в е точки (кроме О). Если Ж —любая точка плоскости, то для определения ее проективных координат следует провести через нее прямые MFX и MFt. Уже из этого ясно, что точки Fx и Ft играют ту же роль, какую в аффинной системе координат играют несобственные точки осей. Эти прямые определят на осях ОХ и OY точки Р и Р2. Сложные отношения

суть проективные координаты1) точки M (при этом координаты х и у могут принимать и «значение» со). Из этих формул видно, что

для точки О х = 0, * » Ех х=\, » » Ft X = со.

Точка Е (рис. 56) имеет координаты лг=1, у—\; она называется единичной точкой плоскости.

Рис. 57.

1) Эти координаты называются неоднородными. Они обладают одним существенным дефектом: точки «бесконечно удаленной» (несобственной) прямой, не лежащие на осях ОХ, OY, имеют координаты *=оо, у=оо и потому не различаются в этих координатах. Для устранения этого дефекта используются однородные проективные координаты (ср. стр. 118 этой книги ЭЭМ).

При удалении точек F, и Ft соответственно по осям X и Y в бесконечность проективные координаты превращаются в аффинные.

5.3. Использование проективных координат для построения изображений. При изображении плоских фигур можно принять четырехвершинник А'В'СD' за базисный, т. е. считать, что

точка А' — начало координат,

» В' — единичная точка оси X',

» С— » » » Г,

» D'— у> » плоскости X'Y'.

Четырехугольник ABCD тоже примем за базисный четырехугольник в плоскости изображения. Тогда каждая точка М' оригинала будет изображаться точкой М, которая имеет относительно четырехвершинника ABCD те же самые проективные координаты, что и точка М' относительно четырехвершинника А'В'CD'.

Так же как и в параллельной проекции, специально строить координаты каждой точки было бы слишком громоздко. Гораздо удобнее построить в плоскости оригинала декартову прямоугольную сетку, а в плоскости изображения — изображение этой сетки. На рис. 58, а, показана декартова прямоугольная сетка, т. е. сетка из равных квадратов. Прямые одного семейства параллельны между собой, т. е. проходят через одну несобственную точку; следовательно,

Рис. 58.

их изображения тоже проходят через одну точку (вообще говоря, собственную). Если построить изображения несобственных точек обоих семейств, то прямая, соединяющая эти изображения, служит изображением несобственной прямой плоскости оригинала (изображение несобственной прямой называется линией схода).

Пусть Г2'3'4'—один из квадратов декартовой прямоугольной сетки. Имея его, можно строить сетку аффинным способом, т. е. не отмеряя отрезков, а пользуясь проведением параллельных. Построение можно производить в такой последовательности:

1) проводим прямую 2'4';

2) через точку 3' проводим прямую, параллельную 24'. Она пересечет прямые Г2' и Г4' соответственно в точках 5' и 6'; это — новые два узла сетки;

3) через 5' и 6' проводим прямые, параллельные соответственно прямым Г4' и Г2'. Получаем еще три узла: 7', 8' и 9' и т. д.

Теперь ясно, как построить изображение сетки. Первый квадрат можно изобразить любым четырехугольником; пусть это будет четырехугольник 1234 (рис. 58,6). Точки1) 7^=12x34 и F2= 14x23 суть точки схода прямых сетки; прямая FXF2— линия схода. Прямые, пересекающиеся на линии схода, изображают параллельные прямые.

Точка G=F1/72x24 есть точка схода диагоналей, параллельных 2'4'. Через точку 3 проводим прямую 3G и находим точки 5 и 6. Дальнейшее построение не требует объяснений.

Чтобы яснее понять происхождение изображения, показанного на рис. 58,6, вообразим две прямые, проходящие через 5 и параллельные прямым декартовой координатной сетки. Они пересекают плоскость изображения а в точках Fx и Ft. Линия схода FXF2 есть пересечение плоскости, проходящей через S и параллельной плоскости оригинала, с плоскостью изображения. Рис. 59 снабжен дополнительной штриховкой и гораздо нагляднее.

Окружность в центральных проекциях может изображаться любой нераспадающейся кривой второго порядка: эта кривая не должна пересекать линию схода.

5.4. Понятие о центральной аксонометрии. Вопрос об изображении пространственных фигур в центральной проекции разрешается аналогично такому же вопросу в параллельной проекции: надо изобразить систему координат и показать жесткую проективную связь изображаемых элементов фигуры с этой системой координат. Разница заключается в том, что система отнесения здесь другая.

Проективная система координат в трехмерном пространстве — это три неколлинеарные оси О'Х\ 0'Y\ 0'Z\ на каждой из которых

1) Символом i2 обозначается прямая, проходящая через точки 1 и 2; J2x34 обозначает точку пересечения прямых 12 и 34.

даны по две точки (кроме О'). Соединяя между собой точки Еи Е2, Я3, а также Fu F2, F3, мы представим эту систему координат так: два треугольника ЕхЕ2Ег и FXF2EZ, лежащие в разных плоскостях, причем прямые, соединяющие соответственные вершины этих треугольников, проходят через одну точку (т. е. треугольники перспективны). Такая фигура (рис. 60) называется «дезарговой конфигурацией». Дезаргова конфигурация в проективном пространстве играет ту же роль, какую играет тетраэдр в аффинном.

Рис. 59.

Особый интерес представляет дезаргова конфигурация, для которой

Такую дезаргову конфигурацию мы будем называть прямоугольной равнобедренной.

Изображением пространственной дезарговой конфигурации служит плоская дезаргова конфигурация: у нее оси ОХ, OY и OZ лежат в одной плоскости (плоскости рисунка).

Для центральных проекций имеет место теорема, аналогичная теореме Польке — Шварца для параллельных проекций. Приведем эти теоремы в сопоставлении.

Вопрос. Можно ли, параллельно проектируя тетраэдр, получить наперед заданный четырехвершинник?

Ответ (теорема Польке—Шварца). Получить в точности данный четырехвершинник, вообще говоря, нельзя, но всегда можно получить его с однопараметрическим искажением, а именно: можно получить четырехвершинник, подобный данному.

Если же говорить не о непосредственной параллельной проекции, а об изображении по методу параллельной проекции, то любой четырехвершинник может служить изображением любого тетраэдра.

Вопрос. Можно ли, центрально проектируя пространственную дезаргову конфигурацию, получить наперед заданную плоскую дезаргову конфигурацию?

Рис. 60.

Ответ (аналог теоремы Польке — Шварца для центральной проекции). Получить в точности данную плоскую дезаргову конфигурацию, вообще говоря, нельзя, но всегда можно получить ее с двухпараметрическим искажением, а именно: можно получить плоскую дезаргову конфигурацию, унимодулярно аффиную1) данной2).

Если же говорить не о непосредственной центральной проекции, а об изображении по методу центральной проекции, то любая плоская дезаргова конфигурация может служить изображением любой пространственной дезарговой конфигурации.

Чтобы построить изображение пространственной фигуры в свободной центральной проекции, надо выделить в составе оригинала

1) Унимодулярно-аффинное (иначе: эквиаффинное) преобразование— аффинное преобразование, сохраняющее неизменными площади всех фигур.

2) См статью Н. М. Бескина, указанную в сноске на стр. 251.

пространственную дезаргову конфигурацию и изобразить ее произвольно (т. е. произвольной плоской дезарговой конфигурацией). Построение изображения произвольной точки М' показано на рис. 61. Прямая О'М' пересечет плоскости ЕхЕ2Ег и F^F2FZ соответственно в точках М[ и M't. Изображение одной из них (например, Мх) должно быть дано, а изображение другой можно построить (ниже будет объяснено почему). При реконструкции оригинала по рис. 61 мы прежде всего должны будем восстановить положение точек М'х и М'2,

Если бы мы имели только треугольник ЕхЕгЕ^ то положение точки AU в плоскости этого треугольника не могло бы быть фиксировано проективно жестко, так как треугольник не определяет систему координат в проективной плоскости. Здесь нам на помощь приходит прямая пересечения плоскостей ЕхЕгЕг и FXF2FZ (она называется дезарговой прямой). Так как она принадлежит обеим плоскостям, то в каждой из этих плоскостей мы имеем четыре прямые: стороны треугольника ЕХЕ2ЕЪ (или FXF2FZ) и дезаргова прямая. Четыре прямые образуют систему координат, и относительно нее можно проективно жестко фиксировать положение точки М\ (а также М'2). Изображением дезарговой прямой служит дезаргова прямая плоской конфигурации, т. е. прямая, на которой лежат точки

Рис. 61.

(согласно теореме Дезарга1) эти три точки лежат на одной прямой). Точка Мх занимает по отношению к четырем прямым (стороны треугольника ЕхЕ2Ег и дезаргова прямая) проективно такое же положение, как точка М'х по отношению к соответствующим четырем прямым (стороны треугольника ЕХЕ2ЕЪ и дезаргова прямая).

Теперь можно объяснить, почему задание точки М[ на рис. 61 позволяет построить точку М'г. В плоскости Е'Е'^Е!^ как только что было показано, мы имеем проективную систему координат. Поэтому положение точки М'х относительно этой системы проективно фиксировано. Точка M относительно аналогичной системы координат в плоскости FXF2FU занимает такое же положение, потому что эти две системы перспективны (центр перспективы — точка О').

Это можно записать так:

(в[. Е'2,Е'„ d', М[)°х (F[,F't,F'vd',M't) (d'—дезаргова прямая).

Отсюда следует

(£„ Е2, £„ d, Мх) л (Л, Fv F„ d, М2)

(d — дезаргова прямая плоской дезарговой конфигурации). Это последнее соотношение позволяет построить точку М2> если дана точка Мх. Мы не показываем построения.

Прямая задается своей проекцией с указанием двух уже заданных точек, например двух следов на плоскостях базисной дезарговой конфигурации. Плоскость задается следами на двух плоскостях базисной конфигурации или на любых двух уже заданных плоскостях.

Можно также задавать любой элемент инцидентными ему точками, прямыми, плоскостями (уже заданными); например, можно задать плоскость тремя точками.

Рисунок, выполненный с соблюдением указанных правил, определяет оригинал лишь с точностью до проективного преобразования. В самом деле, истолковывая рисунок, можно в качестве оригинала базисной дезарговой конфигурации подразумевать любую пространственную дезаргову конфигурацию. Переход же от одной пространственной дезарговой конфигурации к другой определяет проективное преобразование пространства.

Если же снабдить рисунок примечанием, дающим реконструкцию базисной конфигурации, то мы получим условное изображение, определяющее оригинал метрически точно. Этот метод называется центральной аксонометрией. Центральная аксонометрия, как и параллельная, представляет собой метод изображения ориги-

1) См. статью «Геометрические преобразования», стр. 130—133.

нала вместе с системой координат. Различие между центральной и параллельной аксонометрией заключается в двух пунктах:

1) система координат—не аффинная, а проективная,

2) на изображении должна быть показана проективная (а не аффинная) связь небазисных элементов с базисом.

Рис. 62 — пример изображения по методу центральной аксонометрии, если известны метрические параметры натуральной системы координат. Пусть, например, известно, что эта система — прямоугольная равнобедренная, т. е. точки Fu F2i Fs несобственные; Mi и М2 — следы прямой t соответственно на плоскостях Y'O'Z' и Z'O' X'. Третий след Мг можно построить, и тогда положение точки М' на прямой проективно жестко фиксируется сложным отношением (М\М'2М'гМ')\ это отношение на изображении такое же, как в оригинале.

Теория свободных изображений играет важную роль в аэрофотограмметрии. Имея снимок, сделанный с самолета, мы обычно не знаем параметров проектирующего аппарата. Если бы в момент фотографирования плоскость фотопленки была параллельна плоскости земной поверхности, то мы получили бы изображение, подобное оригиналу. Положим теперь, что плоскость фотопленки наклонена к горизонтальной плоскости, причем угол наклона и другие параметры проектирующего аппарата неизвестны. Как дешифрировать снимок (т. е. построить по этому искаженному изображению метрически точный план местности)? Самый простой случай — когда на местности имеются четыре точки общего положения, положение которых нам заранее точно известно. Тогда этот четырехвершинник принимается за базисный, и снимок превращается в аксонометрическое изображение, по которому оригинал определяется метрически точно.

Центральной аксонометрией пользуются архитекторы, вычерчивая проекты зданий (речь идет об общем виде здания в целом). Это объясняется тем, что мы обычно рассматриваем здание с расстояния, которое невелико по сравнению с размерами самого здания. Поэтому изображение в параллельной аксонометрии показалось бы неправдоподобным, так как изображение в параллельной проекции есть вид с очень большого (практически бесконечного) расстояния.

Рис. 62.

§ 6. Построения на изображении

6.1. Построения на проекционном чертеже. Построения на изображении отличаются от воображаемых построений1) тем, что они действительно выполняются. Постановка задачи такова: построить что-либо — значит изобразить это на рисунке.

Так как мы в этой статье рассматриваем только проекционные методы изображения, то и в этом параграфе мы будем рассматривать только построения на проекционном чертеже2).

6.2. Примеры. Рассмотрим два примера построений на проекционном чертеже. Для простоты будем рассматривать только чертежи, построенные по методу параллельной (а не центральной) проекции.

Задача 1. Построить пересечение параллелепипеда плоскостью L'M'N* (рис. 63). Точки V и А'/ лежат соответственно на верхней и задней гранях, точка N лежит на ребре В' В'х%

Решение. Проводим ММХ || ААХ. Теперь Вх и — изображения проекций точек N' и ЛГ на верхнюю грань (направление проектирования параллельно боковым ребрам). Следовательно, МХВХ—изображение проекции прямой M'N' на верхнюю грань. Точка X пересечения MN и МХВХ изображает след прямой M'N' на верхней грани. След секущей плоскости на верхней грани проходит через X' и V'. Поэтому прямая XL изображает этот след. Отметим ее отрезок EF, находящийся внутри параллелограмма AxBxCxDy.

Теперь FN изображает след секущей плоскости на передней грани. След секущей плоскости на задней грани изображается прямой ЕМ. Обозначив точку пересечения этой прямой с ССХ через G, найдем, наконец, и след QN секущей плоскости на правой грани.

Задача 2. Точка V лежит в плоскости основания правильной четырехугольной пирамиды, высота которой равна стороне основания (рис. 64). Опустить из точки L' перпендикуляр на грань S'B'C'i найти его основание М' и определить длину L'М', если А'В' = а.

Рис. 63.

1) См. стр. 200—203 статьи «Общие принципы геометрических построений»

2) См. книгу Н. Ф. Четверухина [5], указанную в списке литературы в конце статьи.

Решение. Возьмем в плоскости основания вместо L' какую-нибудь другую точку, из которой проведение перпендикуляра к грани S'B'C не вызывает затруднений. Такова, например, точка Е'—середина A'D'. Перпендикуляр из Е' на грань S'В'С попадет на высоту S'F' этой грани. На рис. 65 изображено сечение S'E'F' пирамиды в натуральном виде (Е'F'= S'Q'= а) и проведена высота E'G'. Теперь можно на рис. 64 найти точку G из условия

3 F'S' _FS

F'G' ~~ FG

отрезки F'S' и F'G' даны на рис. 65, и FS—на рис. 64).

Проведя прямую EG, мы узнаем направление перпендикуляра. Все перпендикуляры к грани S'B'C должны изображаться на рис. 64 прямыми, параллельными EG.

Вообразим плоскость а, проходящую через оба перпендикуляра (из Е' и из L'). Ее след на плоскости основания изображается прямой EL. Следы плоскости а на гранях A'B'C'D' и S'B'C должны пересекаться на прямой В'С'. Отсюда вытекает следующее построение.

Находим точку X пересечения EL и ВС. Проводим XG. Из L проводим прямую, параллельную EG, до пересечения с прямой GX в точке М.Тогда LM и есть изображение перпендикуляра, опущенного из L' на грань S'B'C.

Определить истинную величину отрезка L'M' легко, потому что истинная величина отрезка E'G' известна (рис. 65).

Достаточно определить отрезок L'M' из пропорции

где отрезок E'G' берется с рис. 65, а отрезки LM и EG — с рис. 64.

Рис. 64.

Рис. 65.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Н. А. Глаголев, Начертательная геометрия, М., Гостехиздат, 1953. Учебник для математических отделений университетов, доступный широкому кругу читателей. Содержит много задач.

[2] Е. А. Глазунов и Н. Ф. Четверухин, Аксонометрия, М., Гостехиздат, 1953.

Обстоятельное руководство, весьма подробно трактующее учение о параллельной аксонометрии.

[3] Г. Монж, Начертательная геометрия, перев. с франц., М. — Л., Гостехиздат, 1947

Основополагающее сочинение известного французского геометра, положившее начало начертательной геометрии; в этой книге весьма обстоятельно разработан метод, называемый сейчас «методом Монжа».

[4] Н. Ф. Четверухин, Изображения пространственных фигур в курсе геометрии, М., Учпедгиз, 1958.

Пособие для учителей средних школ. Книга затрагивает многие упоминавшиеся в статье вопросы.

[5] Н. Ф. Четверухин, Стереометрические задачи на проекционном чертеже, М., Учпедгиз, 1955.

Пособие для учителей средних школ. Разобрано много примеров.

[6] Л. М. Лоповок, Сборник стереометрических задач на построение, М., Учпедгиз, 1953.

[7] И. Г. Польский, Сборник задач на построение на проекционном чертеже, М., Учпедгиз, 1958.

ВЕКТОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ГЕОМЕТРИИ

СОДЕРЖАНИЕ

§ 1. Определение вектора ......................292

1.1 Параллельный перенос ..................292

1.2. Вектор ...........................293

1.3. Откладывание вектора от точки...............294

1.4. Векторы и направленные отрезки..............296

§ 2. Сложение векторов и умножение вектора на число .......298

2.1. Сложение векторов .....................298

2.2. Противоположные векторы, нулевой вектор.........300

2.3. Свойства суммы векторов..................301

2.4. Вычитание векторов.....................304

2.5. Умножение вектора на число ................305

2.6. Свойства произведения вектора на число ..........307

2.7. «Арифметика фигур» ....................308

2.8. Деление отрезка в данном отношении............310

2.9. Координаты вектора.....................312

2.10. Линейная зависимость векторов..............314

2.11. Примеры..........................315

§ 3. Скалярное произведение векторов................319

3.1. Проекция вектора на ось..................319

3.2. Свойства проекций .....................320

3.3. Связь проекций с координатами...............321

3.4. Связь с тригонометрическими функциями..........322

3.5. Примеры .........................324

3.6. Определение и свойства скалярного произведения.....328

3.7. Примеры и задачи.....................331

3.8. Единственность скалярного произведения..........336

§ 4. Косое произведение векторов плоскости.............338

4.1. Ориентированные площади и косое произведение векторов . 338

4.2. Аналогия между косым и скалярным произведениями . . . 342

4.3. Дальнейшие свойства косого произведения.........343

4.4. Примеры и задачи......................345

4.5. Вопрос о единственности косого произведения.......349

§ 5. Тройное произведение и векторное произведение векторов пространства ...........................351

5.1. Ориентированные объемы и тройное произведение......351

5.2. Векторное произведение и его связь с тройным произведением 353

5.3. Свойства векторного и тройного произведений........355

5.4. Двойное векторное произведение..............360

5.5. Примеры ..........................361

5.6. Вопрос о единственности тройного и векторного произведений 364

§ 6. Применения векторного исчисления к сферической геометрии и тригонометрии..........................366

6.1. Выражение сторон и углов сферического треугольника с помощью векторов.......................366

6.2. Сферические теоремы косинусов и синусов.........368

§ 7. Понятие о векторных пространствах...............369

7.1. Аксиоматическое определение векторного пространства . . . 369

7.2. Арифметическая модель векторного пространства......370

7.3. Полнота аксиоматики векторного пространства .......371

7.4. Аксиоматика элементарной геометрии............375

7.5. Некоторые типы многомерных пространств.........377

Литература..............................380

§ 1. Определение вектора

1.1. Параллельный перенос. Напомним прежде всего определение параллельного переноса— геометрического преобразования, тесно связанного с понятием вектора1).

Параллельным переносом плоскости (ала пространства) называется преобразование, переводящее каждую точку А плоскости (пространства) в такую точку А\ что выполнены следующие три условия:

1°. Отрезок А А' параллелен заданной прямой I.

2°. Длина отрезка АА'. имеет заданную величину а.

3°. Направление отрезка АА' (от точки А к точке А') совпадает с заданным на прямой I направлением.

(Заметим, что на каждой прямой можно выбрать два противоположных направления.) Характер описываемого условиями 1°—3° преобразования ясен из рис. 1.

Сравним определение параллельного переноса с определением разного рода симметрий—геометрических преобразований, которые издавна изучаются в школе и хорошо известны преподавателям и учащимся. Центральная симметрия полностью определяется заданием одной точки — центра симметрии О (каждая точка А переходит при центральной симметрии в такую точку А'% что отрезок АА' делится в точке О пополам, рис. 2). Осевая симметрия (рис. 3) определяется заданием одной прямой—оси симметрии; симметрия относительно плоскости (в пространстве, рис. 4) также опреде-

Рис. 1.

1) Ср. статью «Геометрические преобразования», стр. 54.

ляется заданием одного геометрического объекта—плоскости симметрии. Параллельный перенос определяется сложнее, чем симметрии: для его задания нужно указать прямую, направление на ней и длину а. Таким образом, геометрический образ, связанный с параллельным переносом, «сложнее», чем геометрические образы, связанные с симметриями разного рода. Впрочем, эта «сложность» в значительной степени субъективная, кажущаяся. Она объясняется тем, что геометрический образ, связанный с параллельным переносом (таковым, как мы сейчас увидим, и является вектор), непривычен для нас и в силу этого кажется сложнее.

1.2. Вектор. Что же такое вектор? Как ни странно, ответ на этот вопрос представляет известные затруднения. Существуют различные подходы к определению понятия вектора; при этом даже если ограничиться лишь наиболее интересным для нас в этой статье элементарно-геометрическим подходом к понятию вектора, то и тогда будут существовать различные взгляды на это понятие. Разумеется, какое бы определение мы ни взяли, векторе элементарно-геометрической точки зрения есть геометрический объект, характеризуемый направлением (т. е. заданной с точностью до параллельности прямой и направлением на ней) и длиной. Однако такое определение является слишком общим, не вызывающим конкретных геометрических представлений. Согласно этому общему определению

Рис. 2. Рис. 3.

Рис. 4.

параллельный перенос можно считать вектором, ибо условия 1°—3° (см. выше) как раз и показывают, что параллельный перенос характеризуется направлением и длиной. И действительно, можно было бы принять определение: «вектором называется всякий параллельный перенос». Это определение логически безупречно, и на его основе может быть построена вся теория действий над векторами и их применений. Однако это определение, несмотря на его полную корректность, также не может нас удовлетворить, так как представление о векторе как о геометрическом преобразовании кажется недостаточно наглядным, далеким от физических представлений о векторных величинах.

Мы примем следующее определение вектора: вектором называется семейство всех параллельных между собой, одинаково направленных и имеющих одинаковую длину отрезков (рис. 5). Таким образом, вектор представляет собой бесконечное множество направленных отрезков: из каждой точки плоскости (пространства) исходит один отрезок, причем все эти отрезки параллельны, одинаково направлены и имеют одну и ту же длину. Вектор изображают на чертежах отрезком со стрелкой (т. е. изображают не все семейство направленных отрезков, представляющее собой вектор, а лишь один из этих отрезков). Для обозначения векторов в книгах и статьях применяют жирные латинские буквы a, bt С и т. д., а в тетрадях и на доске — латинские буквы с черточкой сверху а, Ъ, с, ... Той же буквой, но не жирной, а светлой (а в тетради и на доске — той же буквой без черточки) обозначают длину вектора. Длину иногда обозначают также вертикальными черточками — как модуль (абсолютную величину) числа. Таким образом, длина вектора а обозначается через а или | а |, а в рукописном тексте длина вектора а обозначается через а или \а\. В связи с изображением векторов в виде отрезков (рис. 6) следует помнить, что концы отрезка, изображающего вектор, неравноправны: стрелка (задающая направление вектора) направлена от одного конца отрезка к другому. Различают начало и конец вектора (точнее, отрезка, изображающего вектор).

1.3. Откладывание вектора от точки. В связи с тем, что вектор представляет собой семейство всех равных, параллельных и одинаково направленных отрезков, для любой точки А плоскости (пространства) найдется в этом семействе отрезок, начинающийся в точке А. Нахождение такого отрезка называют откладыванием вектора а от данной точки А (рис. 7). Эта операция,

Рис 5.

Рис. 6.

очевидно, сводится к построению отрезка, равного и параллельного данному, начинающегося в точке А. Итак, любой вектор а можно отложить от любой заданной точки А. Если В—конец построенного таким образом отрезка (рис. 7), то пишут

a=~ÄB. (1)

Последнее равенство означает, что, откладывая от точки А вектор а, мы получаем отрезок AB, направленный от точки А к точке В. В связи с этим иногда бывает удобным обозначать векторы такими символами, как AB, OA, и т. д., где А, В, О—произвольные точки. При этом следует помнить всегда, что AB есть не все семейство отрезков, составляющее вектор, а лишь один отрезок этого семейства, но такая запись не вызывает недоразумений, так как этот отрезок полностью определяет все семейство.

В целях математической строгости можно было бы условиться применять обозначение AB для направленного отрезка с началом в точке А и концом в точке В, сохраняя обозначение а для вектора, т. е. для всего семейства направленных отрезков1). В таком случае запись (1) была бы некорректной (нельзя приравнять все бесконечное семейство одному его представителю) и ее было бы более правильным заменить записью

(2)

означающей, что направленный отрезок AB принадлежит семейству отрезков (т. е. вектору) а. Однако замена более правильной записи (2) записью (1) не будет вызывать недоразумений, в связи с чем мы всегда в дальнейшем будем пользоваться записью (1) при откладывании векторов.

Теперь мы можем точно и кратко охарактеризовать параллельный перенос. Параллельный перенос есть преобразование плоскости, переводящее точку А в такую точку А\ что АА' = а, где а — заданный вектор. Мы види