Параллельные прямые в курсе основной школы

Более того, развивая систему гипотезы острого угла, Ламберт обнаруживает аналогию этой системы со сферической геометрией и в этом усматривает возможность ее существования.

«Я склонен даже думать, что третья гипотеза справедлива на какой-нибудь мнимой сфере. Должна же быть причина, вследствие которой она на плоскости далеко не поддается опровержению, как это легко может быть сделано со второ

й гипотезой».

А.М.Лежандра

Французский математик и педагог А. М. Лежандр является автором замечательного школьного учебника "Начала геометрии", вышедшего в свет первым изданием в 1794 году и переиздававшегося при жизни автора 14 раз. Лежандр весьма существенно менял свою книгу от издания к изданию. При этом больше всего его заботила теория параллельных. Во всех прижизненных изданиях "Начал геометрии", кроме 9, 10 и 11-го, Лежандр доказывал V постулат, меняя, однако, доказательства от издания к изданию. Объяснялось это тем, что каждый раз после выхода очередного издания Лежандр обнаруживал ошибку в опубликованном доказательстве (точнее, не ошибку, а неявное использование утверждения, эквивалентного V постулату). Безупречного доказательства V постулата Лежандр так и не получил (и, как будет ясно из сказанного ниже, не мог получить). Однако его исследования очень поучительны и, что самое главное, вскрывают глубокие связи между V постулатом и другими предложениями. Особенно важны три замечательные теоремы Лежандра о связи V постулата с теоремами о сумме углов треугольника. Рассмотрим их подробнее. Доказательства этих теорем проводятся без использования V постулата (или аксиомы о параллельных).

Теорема 1. Во всяком треугольнике сумма внутренних углов не превосходит 180°.

Доказательство. Предположим, что наша теорема неверна, т. е. что существует треугольник ABA1, сумма углов которого больше 180°. Продолжим сторону AA1 этого треугольника и построим на прямой AA1 ряд треугольников A1B1A2, A2B2A3, ., An-1Bn-1An, AnBnAn+1, равных треугольнику ABA1; точки B и B1, B1 и B2, ., Bn-1 и Bn соединим отрезками (см. рис.); заметьте, мы не утверждаем, что отрезки BB1, B1B2, ., Bn-1Bn составляют прямую линию, - доказать это, не опираясь на V постулат, невозможно).

Так на рисунке ∟1+∟2+∟3>1800, а ∟1+∟2’+∟3=1800, то ∟2’<∟2; таким образом стороны А1В и А1В1 треугольника А1ВВ1 соответственно равны сторонам ВА1 и ВА треугольника АВА1, а заключенный между ними угол А1 меньше угла В. отсюда вытекает, что АА1>ВВ1 (заметим, что теорема о двух треугольниках, имеющих по две равные стороны, во всех учебниках геометрии доказывается до аксиомы параллельности, следовательно не зависит от V постулата).

Но, очевидно, не только Δ АВА1=ΔА1 А1В1А2=…=ΔАnВnАn+1, но и ΔВА1В1=ΔВ1А2В2=…= ΔВn-1AnBn. Поэтому, если положить АА1-ВВ1=а, то получим ААn –(ВВ1+В1В2+…+В n-1Bn)= na. Выбрав теперь число n настолько большим, что na>2АВ, мы найдем, что (АВ+ВВ1+В1В2+…+ В n-1Bn+BnAn)-АAn=АВ+ BnAn- na<0, т.е. что отрезок ААn больше ломаной АВВ1… BnAn, соединяющей его концы. Но последнее невозможно (причем невозможность эта устанавливается без обращения к аксиоме параллельности). Полученное противоречие и доказывает теорему.

Теорема 2. Если у какого-либо одного треугольника сумма углов равна 180°, то она равна 180° и у любого треугольника.

Доказательство. Установим прежде всего, что если сумма углов прямоугольного треугольника ABC равна 180°, то сумма углов прямоугольного треугольника ABC1, катет BC1 которого равен 2BC (см.рис.), также равна 180°.

Для доказательства построим на стороне АС треугольника АСВ’, равный АСВ (причем ∟АСВ=∟В’СА, ∟ВСА=∟САВ’); в таком случае все углы четырехугольника АВСВ’ будут прямыми( так как сумма острых углов треугольника АВС по предположению равна 900). Продолжив теперь отрезок АВ’ на расстояние В’C’=АВ’ и соединив С’ с С1, получим четырехугольник В’СС1С’, равный АВС1С’ с четырьмя прямыми углами; диагональ АС1 разбивает его на два прямоугольных треугольника, сумма углов каждого из которых равна 1800.

Далее покажем, что если в одном прямоугольном треугольнике АВС сумма углов равна 1800, то сумма углов и любого другого прямоугольного треугольника А1В1С1 равна 1800. мы можем считать, что оба катета треугольника АВС больше соответствующих катетов треугольника А1В1С1; если бы это было не так, то мы добились бы нужного нам положения вещей, последовательно удвоив несколько раз катеты треугольника АВС (ведь по доказанному выше, при удвоении одного из катетов прямоугольного треугольника с сумой углов 1800 сумма его углов не меняется). Наложим теперь треугольник А1В1С1 на треугольник АВС так, чтобы у них совпали прямые углы (см. рис.), и проведем отрезок АС1.

По теореме 1, сумма углов каждого из треугольников ABC1 и AC1C не больше 180°; если хотя бы у одного из них сумма углов была бы меньше 180°, то и сумма углов прямоугольного треугольника ABC (получающаяся, если из суммы всех углов треугольников ABC1 и ACC1 вычесть 180°) была бы меньше 180°, что противоречит сделанному предположению. Поэтому сумма углов треугольника ABC1 также равна 180°. Отсюда, в точности так же как выше, заключаем, что в каждом из треугольников A1BC1 и A1AC1 сумма углов равна 180°.

Теперь уже нетрудно доказать теорему 2. Пусть сумма углов некоторого треугольника ABC равна 180°. Опустив на его большую сторону высоту BD, разобьем его на два прямоугольных треугольника ABD и CBD (см. рис. а).

Сумма углов каждого из треугольников ABD, CBD также равна 180° (т. к. если бы сумма острых углов хотя бы одного из треугольников ABD и CBD была меньше 90°, то сумма углов треугольника ABC также была бы меньше 180°). По доказанному выше, отсюда следует, что сумма острых углов любого прямоугольного треугольника равна 90°. Но каждый треугольник A1B1C1 можно разбить на два прямоугольных треугольника высотой, опущенной на большую сторону (см. рис.б). Так как сумма острых углов каждого из этих треугольников (A1B1D1 и B1C1D1 на рис. б) равна 90°, то сумма углов треугольника A1B1C1 равна 180°, что и завершает доказательство теоремы.

Теорема 3. Если сумма углов любого треугольника равна 180°, то справедлив V постулат.

Пусть A - точка, лежащая вне прямой DD' (см. рис.) . Опустим из точки A перпендикуляр AC на прямую DD' и проведем через точку A прямую BB', перпендикулярную к AC. Ясно, что прямые BB' и DD' не пересекаются (иначе образовался бы треугольник с суммой углов, большей 180°).

Надо доказать, что любая другая прямая MN, проходящая через точку А, пересекается с прямой DD'. Из двух лучей АM, АN выберем тот, который с отрезком АС составляет острый угол; пусть это будет луч АN и пусть (рис. в низу на с.22) точка В и N лежат по одну сторону от прямой АС (в противном случае можно было бы поменять обозначения точек В и В’. Угол ВАN обозначим через а.