Возникало ли у вас ощущение при изучении школьной геометрии, что наука эта менее обоснованная чем алгебра? Такое впечатление на меня оказывают точки, прямые и плоскости, а также их движения и переносы, или геометрические доказательства с обилием разных понятий звучат убаюкивающе? Не могу сказать. Как и не могу достоверно утверждать, что я этого не выдумал на каком-то более позднем, уже не школьном, этапе.
Правильно ли такое отношение?
Обоснование этому можно сочинить, к примеру, такое. Алгебра изначально сильно абстрактная штука, там одни числа и буквы, и функции. В геометрии же куча понятий: перечисленные точки, прямые и плоскости, а также углы, площади, объемы, переносы, повороты, … Все они могут быть взяты из наглядных соображений и если я/ты пропустил начало учебного года, то … все это становится вилами по воде писаным.
Простое утверждение
Приведу еще один пример из учебника Атанасяна и Базылева для вузов1. В начале книги упоминается, что мы пока продолжаем школьный курс геометрии. И на основе этих представлений рассматривается определение векторов (в дальнейшем, основное понятие). Для доказательства свойств направленных отрезков, задающих один и тот же вектор, нужно утверждать, что сонаправленность отрезков обладает транзитивностью:
Если $AB$
сонаправлен с $CD$
и $CD$
сонаправлен с $EF$
, то $AB$
сонаправлен с $EF$
.
(там речь еще и о равных по длине отрезках;
здесь - о ненулевых)
Теорема эта в учебнике не доказывается. Да мало того, еще и соседствует с теоремой, которую читателю предлагается доказать самостоятельно (пользуясь рисунками).
Ну хорошо.
Раз это в начале и на этом все основано, то доказать должно быть несложно.
Так?
Тут говорят о векторах, так что аксиом должно хватить.
Верно?
А что такое сонаправленность?
Два луча $AB$
и $CD$
сонаправлены, если они:
- лежат на параллельных прямых и в одной полуплоскости от
$AC$
или - лежат на одной прямой и один из лучей содержит другой.
У меня в школе был учебник Погорелова2. Посмотрев который сечас я вижу, что там все подробно написано. Для тех, кто захотел, там есть и про аксиомы и про параллельный перенос, и про доказательства только с помощью аксиом. Возьмем сейчас оттуда список аксиом:
I1. Какова бы ни была прямая, существуют точки,
как принадлежащие этой прямой, так и точки ей не принадлежащие.
I2. Через любые две точки можно провести прямую,
и только одну.
II1. Из трех точек на прямой одна и только одна лежит между двумя другими.
II2. Прямая разбивает плоскость на две полуплоскости
[так, что отрезок, соединяющий точки одной полуплоскости, не пересекается с прямой,
а отрезок, соединяющий точки разных полуплоскостей, пересекается с прямой].
И так далее.
Расположение трех точек прямой “$C$
лежит между $A$
и $B$
”
для улучшения понимания можно озвучивать как “$C$
разделяет $A$
и $B$
”
или как “$A$
и $B$
по разные стороны от $C$
”;
или даже как “$C$
и $B$
по одну сторону от $A$
”
(это одно и то же, по аксиоме II1).
Лучом $AB$
тогда называется множество таких точек $C$
данной прямой,
что $A$
не лежит между $B$
и $C$
.
Нетрудно проверить, что если третья точка $C$
лежит на луче $AB$
,
то луч $AB$
можно с успехом назвать лучом $AC$
.
Кроме этого всего напишу еще одно утверждение, которое может понадобиться:
Если прямая пересекает одну из сторон треугольника, то она пересекает и какую-то из двух других сторон данного треугольника.
Доказывать не будем, но чтобы не задерживаться: …
$AB$
это означает, что $A$
и $B$
разделены ею
по разным полуплоскостям;
а где тогда может оказаться третья вершина $C$
?
Оно называется теоремой Паша (или аксиомой) и в нашем случае следует сразу из аксиомы II2.
Итак, (для ненулевых отрезков)
Теорема. Если отрезок $AB$
сонаправлен с отрезком $CD$
и отрезок $CD$
сонаправлен с отрезком $EF$
,
то отрезок $AB$
сонаправлен с отрезоком $EF$
.
Пусть $AB$
сонаправлен $CD$
и $CD$
сонаправлен $EF$
.
Рассмотрим несколько случаев в зависимости от количества участвующих прямых,
на которых лежат отрезки.
Предположим, что $AB$
лежит на одной прямой, а $CD$
и $EF$
на другой.
Кроме того, пусть луч $CD$
содержит луч $EF$
(и отличен от него).
Последнее значит, что $E$
разделяет $C$
и $F$
:
$C$
не может разделять $E$
и $F$
как начало луча, который содержит $E$
и $F$
,
а $F$
не может разделять $C$
и $E$
, т.к. иначе $C$
окажется на луче $EF$
.
Теперь нам нужно понять, сонаправлены ли $AB$
и $EF$
,
то есть пересекает ли отрезок $BF$
прямую $AE$
.
Но если $BF$
пересекает (отрезок) $AE$
,
то в треугольнике $ACE$
пересекается одна из сторон,
что повлекло бы по теореме Паша пересечение другой.
А именно стороны $CE$
($AC$
пересекать нельзя из-за сонаправленности $AB$
и $CF$
).
И это противоречило бы упомянутому расположению точек $C,E,F$
.
Поэтому $BF$
не пересекает $AE$
и $AB$
сонаправлен с $EF$
.
Это был случай на двух прямых.
Предположим теперь, что $AB$
, $CD$
и $EF$
лежат на разных прямых.
Нас интересует, сонаправлены ли $AB$
и $EF$
,
то есть лежат ли они по одну сторону от $AE$
.
Предлагаю вместо $CD$
отложить
(есть свойство о возможности отложить на луче отрезок, равный данному отрезку)
сонаправленный с ним $C_1 D_1$
от точки пересечения $C_1$
прямых $AE$
и $CD$
.
Воспользоваться первым случаем для установления сонаправленности
$AB$
и $C_1 D_1$
, $C_1 D_1$
и $EF$
.
Затем воспользоваться тем, что все отрезки начинаются на одной прямой.
Остался еще случай на одной прямой. Все на одной прямой и есть несколько возможностей того, как лучи друг друга содержат. Проверим один какой-нибудь случай для примера.
Пусть луч $CD$
(строго) содержит лучи $AB$
и $EF$
.
Кроме этого выберем произвольно
расположение начальных точек: $A$
разделяет $C$
и $E$
(другой случай рассматривается аналогично/сменой обозначений).
Тогда относительно $A$
точка $B$
лежит вместе с $E$
, но не с $C$
.
Поэтому луч $AB$
содержит $E$
.
Относительно $E$
точки $F$
и $C$
в разных полуплоскостях,
а значит $F$
будет в разных и с точкой $A$
.
Получается, что луч $AE$
(который равен лучу $AB$
) содержит точку $F$
.
На этом можно остановиться, так как точку $F$
можно
рассматривать как произвольную (неначальную) точку луча $EF$
.
Заключение
Могу ли я после этого считать, что в сонаправленности лучей есть хоть что-то, что необходимо домысливать или полагаться на наглядность? Нет. Могу ли я надеяться, что авторы учебников будут более заботливы и, избавив меня от страданий, покажут как такие вещи получаются? Да.