Раздел 3. СтереометрияЛобачевского
Далее мы познакомимся с пространством Лобачевского. Для этой цели изложим несколько теорем геометрии Лобачевского в пространстве. При доказательстве мы будем ссылаться на некоторые теоремы абсолютной геометрии (как планиметрии, так и стереометрии), причем на доказательстве их останавливаться не будем (они известны читателю из курса средней школы).
Ниже приводим несколько стереометрических теорем абсолютной геометрии. . [7]
-
Через любые три точки, не лежащие на одной прямой, можно провести плоскость, и притом только одну.
-
Если две плоскости имеют общую точку, то они пересекаются по прямой, проходящей через эту точку.
-
Если прямая перпендикулярна плоскости, то она перпендикулярна любой прямой, лежащей в этой плоскости.
-
Из каждой точки пространства, расположенной вне данной плоскости, на эту плоскость можно опустить перпендикуляр, и притом единственный.
-
К плоскости в каждой ее точке можно восставить перпендикуляр, и притом единственный.
-
Две плоскости перпендикулярны между собой, если одна из них проходит через перпендикуляр к другой.
-
Через любую точку пространства можно провести одну и только одну плоскость, перпендикулярную к данной прямой.
-
Через прямую, не перпендикулярную плоскости, можно провести плоскость, и притом единственную, перпендикулярную данной плоскости.
-
Если к прямой пересечения двух перпендикулярных плоскостей в какой-нибудь ее точке восставить перпендикуляр к одной из плоскостей, то он будет лежать в другой плоскости.
-
Теорема о трех перпендикулярах: прямая, проведенная на плоскости через основание наклонной перпендикулярно к ее проекции, перпендикулярна и к самой наклонной, и, обратно, прямая, проведенная в плоскости перпендикулярно к наклонной, перпендикулярна и к ее проекции.
-
Через прямую и точку, взятую вне этой прямой, можно всегда провести плоскость, и при том единственную.
-
Через две пересекающиеся прямые можно всегда провести плоскость, и притом единственную.
-
Расположение прямых в пространстве
Начнем изучение пространства Лобачевского с изучения взаимного расположения прямых в этом пространстве. Если возьмем произвольную пару прямых в пространстве Лобачевского, то эти прямые или лежат в одной плоскости, или не лежат.
Если они не лежат в одной плоскости, то они носят название скрещивающихся прямых. Если же указанные прямые лежат в одной плоскости, то они, как уже известно, или сходятся (пересекаются), или параллельны, или расходятся. . [8]
Приступая к изучению параллельных прямых в пространстве Лобачевского, надо твердо помнить, что первым условием параллельности является принадлежность их к одной плоскости. Чтобы доказать параллельность двух прямых в пространстве Лобачевского, надо сначала решить вопрос о принадлежности их к одной плоскости, а дальнейшее исследование «на параллельность» не отличается от исследования в планиметрии, т. е. если одна прямая параллельна другой в какой-нибудь точке, то она параллельна ей и во всякой другой своей точке, и если одна прямая параллельна другой, то и обратно, другая параллельна первой, причем параллельность берется в одну сторону. Что же касается свойства транзитивности параллельных прямых в пространстве, указанного нами в планиметрии, то в пространстве оно требует дополнительного доказательства. Докажем прежде одну вспомогательную теорему.
Теорема 19. Если через каждую из двух параллельных прямых пространства Лобачевского проведем по одной плоскости и если эти плоскости пересекаются, то прямая их пересечения обязательно будет параллельной данным двум прямым.
Рис. 25
Доказательство. Рассмотрим прямые а и b, лежащие в одной плоскости γ и параллельные друг другу в некотором направлении. Пусть будут α и β две плоскости, проходящие соответственно через эти прямые, и с – прямая пересечения плоскостей α и β (рис. 25; предполагаем, что плоскости α и β не совпадают с плоскостью γ). Нужно доказать, что прямая с параллельна каждой из прямых α и β в том же направлении, в каком они параллельны между собой.
Докажем, например, параллельность прямых а и с. Прежде всего ясно, что прямые а и с – не пересекающиеся. В самом деле, если бы эти прямые встречались в некоторой точке О, то точка О была бы общей точкой всех трех плоскостей α, β, γ. Но тогда и прямые a, b имели бы общую точку О, что противоречит допущению.
Возьмем теперь на прямой с произвольную точку С и опустим из нее перпендикуляр СА на прямую а. Отрезок СА составляет с прямой с два смежных угла; отметим из них тот, который расположен со стороны параллельности прямой а к прямой b. Внутри этого угла через точку С проведем произвольный луч . Чтобы убедиться в параллельности прямых с и а, нужно показать, что луч встречает прямую а.
Выбрав на прямой b произвольную точку В, рассмотрим полуплоскость δ, определяемую прямой СВ и лучом . Эта полуплоскость пересечет плоскость γ по некоторому лучу , который будет лежать внутри угла, составленного отрезком ВА с направлением параллельности прямой b к прямой а. Так как прямые а и b по условию параллельны, то луч пересечет прямую а в некоторой точке S. Точка S будет общей течкой трех плоскостей α, γ и δ. Поэтому луч должен встретить прямую а, и теорема доказана.
Теперь не представляет большой трудности доказать свойство транзитивности параллельных прямых в пространстве в том случае, если данные три прямые не лежат в одной плоскости.
Теорема 20. Если в пространстве Лобачевского одна прямая параллельна другой, а та в свою очередь параллельна третьей прямой, то первая прямая параллельна третьей прямой, причем направление параллельности берется в одну сторону.
Рис. 26
Доказательство. Рассмотрим в пространстве Лобачевского три прямые а'а, b'b и с'с, причем а'а\\b'b и b'b\\c'c. Докажем, что а'а\\с'с в том же направлении.
Будем полагать, что данные три прямые одновременно не лежат в одной плоскости (случай, когда все три прямые лежат в одной плоскости, рассматривался в планиметрии).
Возьмем на прямой с'с произвольную точку М и проведем через нее две различные плоскости α и β, из которых первая проходит через прямую а'а, а вторая — через прямую b'b. Эти две плоскости, имея общую точку М по построению, пересекутся на некоторой прямой d'd, проходящей через точку М. По предыдущей теореме d'd\\a'a и d'd\\b'b. По условию b'b\\с'с, а следовательно, и обратно с'с\\b'b. Выходит, что через точку М в плоскости, определяемой точкой М и прямой b'b, относительно прямой b'b в одном и том же направлении (рис. 26) проходят две параллельные прямые с'с и d'd, что в плоскости Лобачевского невозможно. Значит прямая d'd совпадает с прямой с'с. Поскольку d'd\\a'a и d'd\\b'b, то и с'с обладает этим свойством, т. е. с'с\\а'а и c'c\\b'b. Отсюда а'а\\с'с, и теорема доказана.
3. 2. Расположение прямой и плоскости в пространстве
Переходим теперь к рассмотрению взаимного расположения прямой и плоскости в пространстве Лобачевского. Если прямая не лежит в плоскости, то здесь возможны два случая: или прямая пересекает плоскость, тогда прямая называется сходящейся относительно этой плоскости; или прямая не пересекает плоскость, тогда прямая относительно плоскости будет или параллельной, или расходящейся, в зависимости от того, будет ли прямая параллельной или расходящейся относительно своей ортогональной (прямоугольной) проекции на эту плоскость.
Итак, согласно определению, прямая называется параллельной плоскости, если она параллельна своей ортогональной проекции на эту плоскость.
Теперь можно будет установить некоторые достаточные признаки параллельности прямой и плоскости в пространстве Лобачевского. . [2]
Теорема 21. Прямая, не лежащая в плоскости, будет параллельна плоскости, если она параллельна какой-нибудь прямой, расположенной в этой плоскости.
Рис. 27
Доказательство. Пусть прямая а'а не лежит в плоскости α и параллельна прямой b'b, расположенной в плоскости а (рис. 27). Докажем, что а'а\\α.
Обозначим ортогональную проекцию а'а на плоскость α через пр. а'а. Тогда на основании предыдущего пр. а'а будет параллельно относительно а'а и b'b, так как на пр. а'а можно смотреть как на прямую пересечения двух плоскостей, из которых одна проходит через а'а (ортогонально проектирующая плоскость), другая (плоскость α) проходит через b'b, причем a'a\\b'b. Итак, a'a\\b'b (по условию) и b'b\\пр. а'а (по доказанному пр. a'a\\b'b). Следовательно, на основании свойства транзитивности параллельных прямых a'a\\пр. a'a. Откуда а'а\\α, что и требовалось доказать.
Теорема 22. Прямая, не лежащая в плоскости, параллельна плоскости, если она параллельна какой-нибудь прямой, параллельной этой плоскости.
Рис. 28
Доказательство. Пусть прямая а'а параллельна прямой b'b, а прямая b'b в свою очередь параллельна плоскости α. Докажем, что прямая а'а параллельна плоскости α.
Обозначим ортогональную проекцию прямой b'b на плоскость α через пр. b'b (рис. 28). Согласно определению, если b'b\\α, то b'b\\пр. b'b. Но тогда, на основании свойства транзитивности параллельных прямых, поскольку a'a\\b'b, то b'b\\пр. b'b заключаем, что a'a\\пр. b'b. Отсюда по предыдущей теореме а'а\\α, что и требовалось доказать.
Расположение плоскостей в пространстве
Рис. 29
Рассмотрим теперь в пространстве Лобачевского произвольную плоскость а и произвольную точку М вне ее (рис. 29). Из точки М на плоскость а опустим перпендикуляр MN, где N — основание перпендикуляра. Затем через точку N в плоскости α проведем прямую Nn и в плоскости β, определяемой пересекающимися прямыми MN и Nn, через точку М построим прямую Mm, параллельную прямой Nn (направление параллельности показано стрелками). Теперь будем вращать плоскость β вокруг прямой MN как оси, тогда прямая Nn опишет плоскость α, а прямая Mm опишет поверхность кругового конуса, образующие которого будут всегда параллельны своей ортогональной проекции, а следовательно, будут параллельны и плоскости α. Этот конус, образующие которого параллельны плоскости α, носит название конуса параллельности в точке М относительно плоскости α. Точка М, для которой построен конус параллельности относительно плоскости α, называется вершиной конуса, а длина перпендикуляра MN, опущенного из вершины конуса М на плоскость α, носит название высоты конуса параллельности.
Назовем совокупность всех прямых пространства Лобачевского, проходящих через точку М этого пространства, эллиптической связкой с центром в точке М (или просто связкой М).
Если вершину М конуса параллельности относительно плоскости α будем рассматривать как центр эллиптической связки, то все прямые этой связки разобьются на три категории. К первой отнесем те прямые связки М, которые являются образующими конуса параллельности и, следовательно, будут параллельными плоскости α. Отсюда вывод: через любую точку пространства Лобачевского относительно какой-нибудь плоскости, не проходящей через эту точку, можно провести сколько угодно параллельных прямых, являющихся образующими конуса параллельности.
Ко второй категории относятся те прямые связки М, которые проходят внутри конуса параллельности. Ясно, что эти прямые будут пересекать плоскость α, т. е. являться сходящимися прямыми относительно плоскости α. Таких прямых тоже бесчисленное множество.
К третьей категории относятся все остальные прямые связки М, не вошедшие ни в первую, ни во вторую категорию. Это все прямые связки М, расположенные вне конуса параллельности, они называются расходящимися относительно плоскости α. Их также бесчисленное множество.
Так как угол параллельности есть монотонно убывающая функция стрелки, то конус параллельности, имеющий форму обыкновенного зонта, с ростом высоты MN будет «свертываться» (угол параллельности П(MN) прямых Mm и Nn уменьшается), а с уменьшением высоты MN конус параллельности будет «раскрываться» (угол параллельности П(MN) прямых Mm и Nn увеличивается), и когда высота MN обратится в нуль, конус параллельности превратится в плоскость, совпадающую с плоскостью α. Следовательно, для малых высот MN конус параллельности мало отличается от плоскости, и в этом случае пространство Лобачевского ведет себя как евклидово пространство, так как только в этом пространстве конус параллельности вырождается в плоскость. Следовательно, евклидово пространство можно всегда считать предельным случаем пространства Лобачевского.
Рассмотрим теперь взаимное расположение двух плоскостей в пространстве Лобачевского. Две плоскости в пространстве Лобачевского могут или пересекаться или не пересекаться друг с другом. В первом случае плоскости называются сходящимися. Во втором случае они будут параллельными или расходящимися.
Совокупность плоскостей пространства Лобачевского, проходящих через какую-нибудь одну точку М, называется эллиптической связкой плоскостей с центром в точке М. Такую связку мы будем впредь называть связкой М. . [1]
Возьмем в пространстве Лобачевского произвольную плоскость α и произвольную точку М вне ее. Теперь в точке М относительно плоскости α построим конус параллельности. Вершину М конуса параллельности примем за центр эллиптической связки плоскостей. Тогда все плоскости связки М относительно плоскости а разбиваются на три категории. К первой относятся те плоскости, которые пересекают конус параллельности по двум образующим. Каждая из таких плоскостей содержит прямые, проходящие через точку М и расположенные внутри конуса параллельности (эти прямые заполняют плоский угол, образованный образующими конуса параллельности, по которым плоскость пересекает этот конус). Эти прямые, принадлежащие к категории сходящихся прямых, обязательно пересекут плоскость α. Следовательно, каждая плоскость, пересекающая конус параллельности по двум образующим, пересечет плоскость α. Такие плоскости называются сходящимися относительно плоскости α.
Таким образом, первую категорию плоскостей связки М относительно плоскости α составляют сходящиеся плоскости.
Ко второй категории плоскостей связки М относятся те плоскости, которые касаются конуса параллельности по образующей. Эти плоскости не содержат прямых внутри конуса параллельности и, следовательно, они не могут пересекать плоскость α. Каждая из таких плоскостей называется параллельной относительно плоскости α.
Вторая категория плоскостей связки М состоит из параллельных плоскостей относительно α. Ясно, что через любую точку, взятую вне плоскости, можно по отношению к ней провести сколько угодно параллельных плоскостей (все они будут касательными плоскостями конуса параллельности в этой точке).
Наконец, к третьей категории плоскостей относятся все остальные плоскости связки М, не вошедшие ни в первую, ни во вторую категорию, т. е. все плоскости, расположенные вне конуса параллельности. Эти плоскости не пересекают плоскость α и не являются параллельными ей. Каждую из таких плоскостей относительно плоскости а принято называть расходящейся плоскостью.
Значит, к третьей категории относятся плоскости связки М, расходящиеся относительно плоскости α. В пространстве Лобачевского через точку, расположенную вне плоскости, можно провести сколько угодно плоскостей, расходящихся относительно данной.
Исходя из соображений, высказанных выше, легко прийти к следующим весьма замечательным результатам.
1. Для того чтобы две плоскости были сходящимися (пересекались по некоторой прямой), необходимо и достаточно, чтобы через произвольную точку, взятую на одной из них, проходили бы две прямые, параллельные другой плоскости.
2. Для того чтобы две плоскости были параллельными, необходимо и достаточно, чтобы через произвольную точку, взятую на одной из них,
проходила одна и только одна прямая, параллельная другой плоскости.
3. Для того чтобы две плоскости были расходящимися, необходимо и достаточно, чтобы через произвольную точку, взятую на одной из них, не
проходило ни одной прямой, параллельной другой плоскости.
Необходимо заметить, что две параллельные плоскости в сторону параллельности (направление образующей, по которой одна плоскость касается конуса параллельности, построенного относительно другой плоскости) асимптотически сближаются, а в противоположную сторону безгранично расходятся. Каждая из двух параллельных плоскостей содержит прямую, параллельную другой плоскости.
Если две плоскости расходящиеся, то ни одна из них не содержит ни одной прямой, параллельной другой плоскости. Далее, для расходящихся плоскостей имеет место следующее. . [9]
Теорема 23. Если две плоскости α и β расходящиеся, то они обязательно имеют общий перпендикуляр, и притом единственный, от которого безгранично расходятся во все стороны одна относительно другой.
Рис. 30
Доказательство. Докажем сначала существование общего перпендикуляра для расходящихся плоскостей α и β. Для этой цели из произвольной точки М плоскости α на плоскость β опустим перпендикуляр MN (рис. 30), где точка N – основание перпендикуляра. Будем считать, что прямая MN не является общим перпендикуляром плоскостей α и β, в противном случае теорема выполнялась бы. Тогда из точки N, расположенной в плоскости β, на плоскость α в свою очередь опустим перпендикуляр NP. Через пересекающиеся прямые MN и NP проведем плоскость γ. Плоскость γ по абсолютной геометрии будет общей перпендикулярной плоскостью к плоскостям α и β. Плоскость γ, имеющая с плоскостями α и β по одной общей точке М и N, пересечет эти плоскости соответственно по прямым а и b. Эти прямые расходящиеся, так как находятся в расходящихся плоскостях α и β. Как доказано выше, любые две расходящиеся прямые имеют единственный общий перпендикуляр. Пусть для прямых а и b таким общим перпендикуляром будет QR, который, кстати сказать, будет также общим перпендикуляром плоскостей α и β, так как находится в плоскости γ, перпендикулярной α и β. Итак, расходящиеся плоскости α и β имеют по крайней мере один общий перпендикуляр QR.
Докажем единственность общего перпендикуляра для плоскостей α и β. Будем доказывать методом от противного. Предположим, что, кроме общего перпендикуляра QR, плоскости α и β имеют еще один общий перпендикуляр Q'R' (на рисунке не обозначен). Соединив прямыми точку Q с точкой Q' и точку R с точкой R', получим в плоскости γ прямоугольник QRR'Q', чего в пространстве Лобачевского быть не может (в геометрии Лобачевского прямоугольников не существует).
Остается теперь доказать расходимость расходящихся плоскостей α и β от их общего перпендикуляра QR. Для этой цели рассмотрим расходящиеся прямые а и b, расположенные в расходящихся плоскостях α и β. Поскольку расходящиеся прямые а и b расходятся в обе стороны от их единственного общего перпендикуляра QR, то и плоскости α и β, в которых они лежат, также будут расходиться в этих направлениях от QR. Если плоскость γ вращать вокруг общего перпендикуляра QR, то будут менять свое направление и расходящиеся прямые а к b, которые являются линиями пересечения плоскости γ с плоскостями α и β. Прямые а и b и в новых своих положениях будут расходиться одна относительно другой от их общего перпендикуляра QR. Во всех этих направлениях, которые можно брать во все стороны от QR, расходящиеся плоскости α и β будут безгранично расходиться одна относительно другой. Теорема доказана.
Теорема 24. Через прямую, параллельную плоскости, проходит единственная плоскость, параллельная данной плоскости.
Рис. 31
Доказательство. Пусть прямая а параллельна плоскости α. Докажем, что через прямую а проходит единственная плоскость β, параллельная плоскости α. Для доказательства на прямой а возьмем произвольную точку М и построим конус параллельности относительно плоскости α с вершиной в точке М (рис. 31). Проведем через прямую а плоскость β, которая касалась бы конуса параллельности по образующей а. Плоскость β будет единственной плоскостью, которая, проходя через прямую а, будет параллельной плоскости а, что и требовалось доказать.
3. 4. Поверхности постоянной кривизны
В пространстве Евклида имеют место две поверхности постоянной кривизны: плоскость и сфера. В пространстве же Лобачевского таких поверхностей больше. Там, кроме плоскости и сферы, имеются такие поверхности, как орисфера и эквидистантная поверхность. Начнем рассмотрение со сферы. Для построения сферы в пространстве Лобачевского рассмотрим эллиптическую связку прямых, т. е. совокупность прямых пространства, проходящих через какую-нибудь фиксированную точку О, называемую центром связки.
Т
Рис. 32
акая связка в дальнейшем для краткости будет называться связкой О. На какой-нибудь прямой а (оси) связки О возьмем произвольную точку А (начало) и из нее относительно всех других прямых связки О будем проводить прямые равного наклона (рис. 32). Тогда геометрическое место точек пересечения прямых равного наклона, выходящих из точки А, с прямыми эллиптической связки О и образуют, по определению, сферу, которая, в частности, обладает следующими свойствами.
1. Сферу можно рассматривать как перпендикулярное (ортогональное) сечение связки О, т. е. каждая прямая связки Оявляется нормалью(перпендикуляром) к поверхности сферы.
2. Прямая пересекает сферу не более чем в двух точках.
3. Плоскость со сферой может или не иметь общих точек, или иметь одну общую точку (касательная плоскость), или пересекать сферу по окружности (секущая плоскость).
4. Плоскость, проходящая через ось сферы (диаметральная плоскость), пересекает сферу по большой окружности, центр которой находится в центре сферы, которым является центр связки О.
5. Сферу можно рассматривать как поверхность вращения окружности вокруг своей оси (диаметра).
6. Сферу можно рассматривать как геометрическое место точек, равноудаленных от ее центра (центр связки О).
7. Все сферы одного и того же радиуса при наложении сливаются между собой (конгруэнтны), причем радиусом (или параметром) сферы
называется расстояние любой точки сферы от ее центра.
8. Сфера есть поверхность постоянной кривизны, так как ее можно без изгибания (деформации) передвигать самое по себе так, чтобы каждая точка сферы совмещалась с любой другой ее точкой и чтобы направление любой касательной к сфере в первой точке совместилось с направлением любой касательной во второй точке.
Для построения орисферы возьмем параболическую связку прямых, т. е. совокупность всех прямых пространства, параллельных одной и той же прямой (ось связки) в одном из ее направлений (связка параллельных между собой прямых). Теперь из какой-нибудь точки А какой-нибудь прямой а (оси) рассматриваемой связки будем проводить прямые равного наклона относительно всех других прямых связки (рис. 33). Тогда геометрическое место пересечения прямых равного наклона с прямыми параболической связки и дает нам, по определению, орисферу, обладающую следующими свойствами (дадим из без доказательства). . [3]
Рис. 33
1. Орисферу можно рассматривать как ортогональное сечение параболической связки, т. е. каждая прямая параболической связки является
перпендикуляром (нормалью) к поверхности орисферы.
2. Прямая с орисферой может иметь не более двух общих точек.
3. Плоскость, не проходящая через ось орисферы, может не иметь общих точек с орисферой, или касаться ее в точке, или пересекать ее по окружности.
4. Плоскость, проходящая через ось орисферы, пересекает орисферу по орициклу.
5. Плоскость не осевого сечения пересекает орисферу по некоторой окружности.
6. Орисферу можно рассматривать как поверхность вращения орицикла вокруг любой своей оси.
7. Все орисферы при совмещении сливаются между собой (конгруэнтны).
8. Орисфера есть поверхность постоянной кривизны, так как ее можно без изгибания (деформации) передвигать самое по себе так, чтобы
каждая точка орисферы совмещалась с любой ее точкой и чтобы направление любой касательной к орисфере в первой точке совместилось с направлением любой касательной во второй точке.
На орисфере в системе геодезических линий, которыми являются орициклы, выполняется модель евклидовой геометрии (планиметрия). В самом деле, на орисфере выполняются все плоские аксиомы абсолютной геометрии, в частности:
1. Через любые две точки орисферы проходит один и только один орицикл.
2. Дугу орицикла можно неограниченно продолжать в обе стороны.
3. Из каждой точки орисферы любым геодезическим радиусом можно описать окружность.
Выполнимость всех этих и других плоских аксиом геометрии проверяется. Далее, на орисфере в системе орициклов (геодезических линий) выполняется евклидов постулат о параллельных линиях. Докажем это.
Теорема 25. Через точку М, взятую вне орицикла АВ, на орисфере, где они расположены, можно провести один и только один орицикл, не пересекающий данный.
Доказательство. Через точки А, В и М, взятые на орисфере, проведем соответственно ее оси а, b и m. Тогда a\\b\\m, так как они принадлежат одной и той же параболической связке (рис. 34). Плоскость, в которой лежат параллельные прямые а и b, обозначим через α. Заметим, что m\\a, так как прямая m параллельна прямым а и b, расположенным в плоскости α. На основании теоремы 21 через m проходит одна единственная плоскость β, параллельная плоскости α.
Рис. 34
Эта плоскость β, как плоскость осевого сечения, пересекает данную орисферу по орициклу, проходящему через точку М и не пересекающему орицикла АВ. Всякий другой орицикл, проходящий через точку М, будет уже пересекать орицикл АВ, так как в противном случае через ось М относительно плоскости α проходила бы еще одна плоскость, не пересекающая эту плоскость, чего, как известно, быть не может. Выходит, что через любую точку орисферы, расположенную вне орицикла этой же орисферы, можно провести единственный орицикл, не пересекающий данный, что и требовалось доказать. . [5]
Познакомимся теперь с эквидистантной поверхностью. Для ее построения рассмотрим гиперболическую связку прямых, т. е. совокупность всех прямых пространства, перпендикулярных одной и той же плоскости а, называемой базой связки. Такую связку для краткости будем называть связкой а. Теперь из какой-нибудь точки А какой-нибудь оси а, приняв за ось а произвольную прямую связки а, будем проводить прямые равного наклона ко всем другим прямым связки а (рис. 35). Тогда геометрическое место точек пересечения с прямыми связки а составит некоторую поверхность, которая, по определению, и называется эквидистантной поверхностью. Эта эквидистантная поверхность обладает следующими свойствами.
1. Эквидистантная поверхность есть ортогональное (перпендикулярное) сечение гиперболической связки, т. е. каждая прямая гиперболической связки является нормалью (перпендикуляром) к эквидистантной поверхности.
2. Прямая с эквидистантной поверхностью может иметь не больше двух общих точек.
Рис. 35
3. Плоскость, не проходящая через ось эквидистантной поверхности, может с ней или совсем не иметь общих точек, или иметь одну общую точку (касательную плоскость), или пересекать эквидистантную поверхность по окружности (секущая плоскость)
4. Плоскость, проходящая через ось эквидистантной поверхности (она же и ось гиперболической связки), пересекает эквидистантную поверхность по эквидистанте.
5. Эквидистантную поверхность можно рассматривать как поверхность вращения эквидистанты вокруг любой ее оси.
6. Эквидистантную поверхность можно рассматривать, как геометрическое место точек, равноудаленных от одной и той же плоскости (базы гиперболической связки) и расположенных по одну сторону от нее.
7. Эквидистантные поверхности одного и того же параметра при совмещении сливаются (конгруэнтны) друг с другом, причем параметром эквидистантной поверхности называется длина перпендикуляра, опущенного из любой точки эквидистантной поверхности до базисной плоскости.
8. Эквидистантная поверхность есть поверхность постоянной кривизны, так как ее можно без изгибания (деформации) передвигать самое по себе так, чтобы каждая точка эквидистантной поверхности совмещалась с любой ее точкой и что бы направление любой касательной к эквидистантной поверхности в первой точке совпадало с на
правлением любой касательной во второй точке.
На эквидистантной поверхности геодезическими линиями являются дуги эквидистант. Оказывается, в системе эквидистант (геодезических линий) на эквидистантной поверхности выполняется модель планиметрии Лобачевского. Проверкой установлено, что в указанной системе выполняются все планиметрические аксиомы абсолютной геометрии и, в частности, такие:
1. Через любые две точки эквидистантной поверхности проходит на этой поверхности одна и только одна эквидистанта.
2. Дугу эквидистанты на эквидистантной поверхности можно неограниченно продолжать в обе стороны.
3. Из каждой точки эквидистантной поверхности геодезическим радиусом можно описать окружность.
Чтобы сказать, что вышеуказанная система действительно составляет модель геометрии Лобачевского (точнее, ее планиметрии), надо доказать выполнимость для этой системы аксиомы Лобачевского о параллельных прямых.
Теорема 26. Через точку М, взятую вне эквидистанты АВ, на эквидистантной поверхности, где они расположены, можно провести более одной эквидистанты, не пересекающей данной.
Итак, на основных поверхностях постоянной кривизны пространства Лобачевского (сфера, орисфера, эквидистантная поверхность) в системе геодезических линий выполняются все три геометрии: эллиптическая геометрия Римана на сфере, геометрия Евклида на орисфере и геометрия Лобачевского на эквидистантной поверхности. Обратим внимание, что Лобачевский, отрицая геометрию Евклида на плоскости, не мог освободиться от нее совсем. Она, по меткому выражению профессора В. Ф. Кагана, с плоскости «переселилась» на поверхность орисферы.
Из того, что в пространстве Лобачевского на орисфере выполняется планиметрия Евклида, вытекает утверждение: если геометрия Лобачевского не имеет противоречий, то не может их иметь и планиметрия Евклида, т. е. вопрос о непротиворечивости планиметрии сводится таким образом к вопросу о непротиворечивости геометрии Лобачевского. . [4]
Перед учеными вполне естественно встал вопрос: нельзя ли, наоборот, непротиворечивость геометрии Лобачевского свести к непротиворечивости геометрии Евклида. Нет ли в пространстве Евклида такой поверхности постоянной кривизны, на которой, хотя бы в ограниченной части, выполнялась, скажем, планиметрия Лобачевского? Оказывается, такая поверхность есть. Это поверхность псевдосферы, получаемая вращением трактрисы вокруг своей оси. На ней, как мы видели, в системе геодезических линий выполняется геометрия Лобачевского (ее планиметрия).
Достарыңызбен бөлісу: |