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第一卷 几何基础(2/18)

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公设

I.1 过现点可以作一条直线。

I.2 直线可以向两端无限延伸。

I.3 以定点为圆心及定长的线段为半径可以作圆。

I.4 凡直角都相等。

I.5 同平面内一条直线和另外两条直线相交,若在直线同侧的两个内角之和小于180°,则这两条直线经无限延长后在这一侧一定相交。

半球仪

早期数学大部分是由于贸易及农业的需要而发展起来的,但也与宗教仪式及天体运行有关联。历法的设计基本上是天文学家和牧师的工作,而天体学则需要特殊的数学。在不同的文明社会,人们记录天体的运动并制造出各种仪器来观察星空。图为17世纪丹麦天文学家制作的半球仪。

公理

I.1 等于同量的量彼此相等。

I.2 等量加等量,其和仍相等。

I.3 等量减等量,其差仍相等。

I.4 彼此能够重合的物体是全等的。

I.5 整体大于部分。

关于定义:

《几何原本》开始于一系列定义,这些定义分为三类,第一类指明某些概念,比如定义I.1、I.2、I.5,指派了术语点、线、面(注意:欧几里得的线的概念也包含曲线)。第二类是由原概念衍生的新概念。第三类,是非实质性定义,从表面上看,这些定义是实质性的,其实不然,比如定义I.4所表述的直线为“点沿着一定方向及其相反方向无限平铺”,这一定义几乎是不可用的,最多指出将要讨论的线是直线。

有可能有些定义不是欧几里得所著,而是编著的后人加上去的,另一种可能是来源于其他著作,有可能更古老。

关于公设:

紧接定义之后是几个公设。公设是自明的,意即无需证明的显在事实,尤其表现在平面几何中。公设内容多为作图。

关于量与公理:

公理也是自明的,涉及各种不同类型的大小。线段的量出现得最频繁,另一些量是直线的角和面(平面图形),也包含其他类型。在命题III.16中直线角与曲线角相比较,以示直线角是平面角的一特殊类。这吻合欧几里得在定义I.9和定义I.8中的定义。

在卷三中,出现圆上的弓形的量,仅相等圆的弓形可以比较与相加,所以,相等圆上的弓形组成量,同不相等圆上的弓形是另一类不同的量。这些量皆不同于线段量。无论图形的哪个区域进行比较,不同的曲线不被讨论。

卷五讨论比例理论,并不涉及特殊类型的量。比例并不来自特殊类型的量,它们可以相比,但不能相加。卷七至卷十讨论数论。可以认为是讨论亚里士多德提出的数理。从第十一章开始讨论立体,这是本书讨论的最后一个类型。

命题I.1

已知一条线段可作一个等边三角形。

设:AB为已知的线段。

要求:以线段AB为边建立一个等边三角形,以A为圆心、AB为半径作圆BCD;再以B为圆心、以BA为半径作圆ACE;两圆相交于C点,连接CA、CB。

因为:A点是圆CDB的圆心,故AC等于AB(定义I.15)。

又,点B是圆CAE的圆心,故BC等于BA(定义I.15),CA等于AB;所以:线段CA等于CB等于AB。

因为:等于同量的量互相相等(公理I.1);所以:CA等于CB。所以:三条线段CA、AB、BC相等。

所以:三角形ABC是建立在线段AB上的等边三角形。

证完

注解

将这一命题作为《原本》的第一命题是令人愉快的,三角形结构清晰,对等边三角形的证明过程,也条理清晰,当然对C点可以有两个选择,任意一个皆可。或许,欧几里得应将命题I.4作为《原本》的第一命题,因为该命题逻辑上不依赖于前三个命题;但是,欧几里得的第一命题的选择,也自有他的理由,首先,本书接触五个正立体,从一个正三角形开始,有其美学意义。另外,命题I.2、I.3皆需要命题I.1,命题I.2和命题I.3给出了移动线的结构,命题I.4虽然在逻辑上不依赖于命题I.2和命题I.3,但却引用了叠合的概念,某种意义上讲,是移动的点和线。

欧几里得在某个命题结束时,用了“证完”一词。这是几何学命题证明结束的一个标准。尽管两千多年来这部天才的巨著受到了历代数学批评家们的挑剔,并且他们也指出了不少漏洞,但是它的光辉却丝毫未损。本命题是两千余年来受到批评最多的一个命题,批评者指出,如此简洁明了的命题,却充满了漏洞,这是陈述不够充分的逻辑裂缝。为什么生成C点?证明一开始,点C就被设定为圆的相交点,但它的存在却没有证明。欧几里得虽然在平行公设里说到点的生成,但那一公设却与该命题无关。所以点C的存在不能获得保证。事实上,在几何学模式中,不相交的圆自然是存在的,所以,在这里还要求欧几里得尚未定义的公设出现。在第三卷中,欧几里得小心谨慎地分析圆相交的可能情况,但无论他怎么小心,还是得出了错误的定理。

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