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欧几里得的《几何原本》提出了五条公设,头四条公设分别为:
1.过两点能作且只能作一直线。 2.线段(有限直线)可以无限地延长。 3.以任一点为圆心,任意长为半径,可作一圆。4.凡直角都相等。
第五条公设说:同一平面内一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角的和小于两直角,则这两直线经无限延长后在这一侧相交。
长期以来,数学家们发现第五公设和前四个公设比较起来,显得文字叙述冗长,而且也不那么显而易见。有些数学家还注意到欧几里得在《几何原本》一书中直到第二十九个命题中才用到,而且以后再也没有使用。也就是说,在《几何原本》中可以不依靠第五公设而推出前二十八个命题。因此,一些数学家提出,第五公设能不能不作为公设,而作为定理?能不能依靠前四个公设来证明第五公设?这就是几何发展史上最著名的,争论了长达两千多年的关于“平行线理论”的讨论。
由于证明第五公设的问题始终得不到解决,人们逐渐怀疑证明的路子走的对不对?第五公设到底能不能证明?
到了十九世纪二十年代,俄国喀山大学教授罗巴切夫斯基在证明第五公设的过程中,他走了另一条路子。他提出了一个和欧式平行公理相矛盾的命题,用它来代替第五公设,然后与欧式几何的前四个公设结合成一个公理系统,展开一系列的推理。他认为如果这个系统为基础的推理中出现矛盾,就等于证明了第五公设。我们知道,这其实就是数学中的反证法。
但是,在他极为细致深入的推理过程中,得出了一个又一个在直觉上匪夷所思,但在逻辑上毫无矛盾的命题。最后,罗巴切夫斯基得出两个重要的结论:
第一,第五公设不能被证明。
第二,在新的公理体系中展开的一连串推理,得到了一系列在逻辑上无矛盾的新的定理,并形成了新的理论。这个理论像欧式几何一样是完善的、严密的几何学。
这种几何学被称为罗巴切夫斯基几何,简称罗氏几何。这是第一个被提出的非欧几何学。
从罗巴切夫斯基创立的非欧几何学中,可以得出一个极为重要的、具有普遍意义的结论:逻辑上互不矛盾的一组假设都有可能提供一种几何学。
欧几里德把少数不加证明而采用的命题作为公设和公理。《几何原本》中采用的公设只有5条:
公设1 从一点到另一点必可引直线。
公设2 任一直线均可无限制地延长。
公设3 以任一点为中心,任意长线段为半径可以作圆。
公设4 所有直角都相等。
公设5 若两直线与第三直线相交,其一侧的两个内角之和小于两直角时,则这两直线向该侧充分地延长后一定相交。
(说明 这就是著名的第五公设,它与“直线外一点只能引一条直线与已知直线平行”是等价的,所以又有“平行公设”之称。)
《几何原本》中的公理亦共有5条:
公理1 等于同量的量相等。
公理2 等量加等量,其和相等。
公理3 等量减等量,其差相等。
公理4 能迭合的量一定相等。
公理5 整体大于部分。
欧几里德是这样区分公理与公设的:
第一,公理适合于一切科学,而公设是几何所特有的;
第二,公理本身是自明的,公设没有公理那样自明,但也是不加证明而承认其真实性的。
时至今日,人们已不在区分公理与公设了,都用公理一词来表明。
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