Об очевидности в геометрии

Опубликовано: 2022-09-09
Теги: учёба геометрия

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:

  1. лежат на параллельных прямых и в одной полуплоскости от $AC$ или
  2. 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: …
если прямая пересекает сторону $AB$ 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.

pic1

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 $AE$.

pic1b

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.

pic2

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.


  1. Атанасян Л. С., Базылев В. Т. Геометрия. Часть I. Учеб. пособие для студентов… ↩︎

  2. Погорелов А. В. Геометрия: Учебник для 7-11 классов ↩︎