《幾何原本》裡的傳遞性命題

2021-02-18 好玩的數學

所謂「傳遞性」是指,若a、b滿足這種關係,且b、c也滿足這種關係,則a和c也滿足這種關係。

傳遞性是「等價關係」的三個要素之一,另外兩個分別是:

自反性--元素a和它自身滿足這種關係;

對稱性--元素a和b若滿足這種關係,則b和a也滿足這種關係。

最常見、最平凡的傳遞性出現在相等關係中。而在《原本》的年代裡,雖然還沒有等價關係的概念,卻有關於傳遞性的命題,下面簡要介紹。

公理一:等於同量的量彼此相等。


這就是前面所講的相等關係,在《原本》裡,這一公理頻繁地用於線段、角、面積等多個量上。下面是直接和這一公理有關的命題例子:

【l.1】在一個已知有限直線上作一個等邊三角形。

這裡涉及線段相等的傳遞性。在這一命題中,公理1的目的僅在於直接得到要證明的結論。

【l.13】一條直線和另外一條直線所交成的角,或者是兩個直角或者它們的和等於兩個直角。

這裡涉及的是角相等的傳遞性。在這一命題中,公理1的作用在於將原有的兩個角重新組合,進而得出結論。這可能讓人覺得「非常簡單」,但《原本》正是建立在這些貌似顯然的命題之上的。

【l.36】在等底上且在相同二平行線之間的平行四邊形彼此相等。

這是第一個涉及面積相等傳遞性的命題。在《原本》裡如果提到兩個多邊形相等,根據上下文,可能是全等或者面積相等。而在【l.35】裡,已經利用全等證明了同底上等高的平行四邊形(面積)相等:

【l.48】如果在一個三角形中,一邊上的正方形等於整個三角形另外兩邊上正方形的和,則夾在後兩邊之間的角是直角。


此即勾股定理(【l.47】)的逆定理。作者先是構造直角三角形ACD(其中AD等於AB),然後根據【l.47】得出

【l.30】一些直線平行於同一直線,則它們也互相平行。


【Xl.9】兩條直線平行於和它們不共面的同一直線時,這兩條直線平行。


這兩個命題都涉及到平行的傳遞性,前者是同一平面的,後者是不同平面的。在我上學的時候,教材裡把這者都作為公理(其中第一條的原文是「過直線外一點能作並且只能作一條平行線」)。另外前者似乎在《原本》裡很少直接應用,我只找到了一個不是太重要的:

【lV.7】求作已知圓的外切正方形

書中證明了GH、FK分別和AC平行,應用【lV.7】得出GH和FK平行,類似可以得出GF和HA平行,從而證明AFGH是平行四邊形,進一步可以證明該平行四邊形是正方形。

雖然【lV.7】似乎不甚重要(書裡只在第十二卷證明圓面積和圓錐體積的時候提到過,不過也不甚必須的),但【l.31】依然很重要,因為它能代替那條著名的而且也是很囉嗦的公設5。

【Xl.9】用來證明以下幾個命題:

【Xl.10】如果相交的兩條直線平行於不在同一平面內兩條相交的直線,則它們的夾角相等。


【Xl.15】如果兩條相交直線平行於不在同一平面上的另外兩條相交直線,則兩對相交直線所在的平面平行。


【Xl.38】如果一個立方體相對面的邊被平分,又經過分點做平面,則這些平面的交線和立方體的對角線互相平分。


【Xl.17】已知兩個同心球,在大球內作內接多面體,使它與小球面不相切。


以上的最後一個命題是為證明球體積和半徑成正比做準備。這一命題是說,我們可以在大球內作一個非常貼近小球的內接多面體。

【V.11】凡與同一個比相同的比,它們也彼此相同

比例論是《原本》的重要組成部分。在現代數學裡,因為是把兩個量的比看作為除法(得到一個具體的數),所以上述關於比的傳遞性命題無須單獨論述,但《原本》裡不是這樣,大家可以自行查閱有關《原本》中「比例論」的介紹。這一命題運用非常頻繁,至少涉及四十多個命題,下面略舉數例。

這一命題首先用來比例的若干性質,如下面的更比命題:

【V.16】如果四個量成比例,則它們的更比例也成立。


原文意思是,若A:B=C:D,則A:C=B:D。這裡《原本》依照比例的定義,找到一組中間量--A、B的同倍量E和C、D的同倍量F作為過渡,猶如今天我們設A:B=C:D=K一樣。其餘如合分比、首末比的證明也類似,並且這些性質在後文的應用也非常頻繁。

【Vl.2】如果一條直線平行於三角形的一邊,則它截三角形的兩邊成比例線段……

以上即平行線等分線段命題,省略了的後半段是它的逆命題。證明方法是:如圖,所以

【Vl.17】如果兩直線被平行平面所截,則截得的線段有相同的比。

這是【Vl.2】的立體形式,直接以【Vl.2】和【V.16】作依據立刻可以得出結論。

下面還有兩個傳遞性命題,也用到了【V.11】,不再介紹其應用。

【Vl.21】與同一直線形相似的圖形,它們彼此也相似。

【X.12】與同一量可公度的兩量,彼此也可公度。

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