mah3

в >

Фиг. 23

что мы постоянно наблюдаем их. Рассмотрим, например, два равные, равнобедренные и прямоугольные у А и D треугольника ABC к ОВС(фит. 23), сложенные гипотенузами ВСтак, что образуют равносторонний четырехугольник ABCD. Для определения рода и величины обоих равных (прямых) углов у В и С недостаточно первых 37 теорем Евклида. Мера длины и мера угла по существу своему различны и их невозможно прямо сравнивать; поэтому первые теоремы относительно связи сторон и углов треугольника имеют только качественный характер; поэтому здесь безусловно необходима количественная теорема об углах, вроде, например, теоремы о сумме углов в треугольнике. Заметим еще, что можно дать аналогичные 27 теоремам планиметрии, столько же теорем для шаровой поверхности и поверхностей постоянной отрицательной кривизны и что тогда аналогичные построения углов у В и С дадут тупой угол для первой поверхности и острый — для второй.

17. Главная заслуга Saccheri17 заключается в форме постановки у него проблемы. Если пятое требование содержится уже в остальных допущениях Евклида, то и без него должна существовать возможность доказать, что в четырехугольнике ABCD (фиг. 24) с прямыми углами в А и В и при условии AC— BD углы в С и D суть прямые. И напротив, допущение, что Си D суть углы тупые или острые, должно в этом случае привести к противоречиям. Saccheri таким образом старается выводить следствия из гипотез прямого, тупого или острого угла. Ему удается доказать, что каждая из этих гипотез правильна во всех случаях, если только она верна в одном случае. При помощи какого-нибудь одного треугольника, сумма углов которого равна, больше или меньше 2R, будет доказана в общем виде правильность гипотезы прямого, тупого или острого угла. Замечательно, что Saccheri указывает уже на физически-геометрические опыты, подтверждающие гипотезу прямого угла. Если прямая CD (фиг. 24) соединяет концы двух равных перпендикуляров АСи BD, возведенных на прямой AB, и если перпендикуляр NM, опущенный из какой-нибудь

Euküdes ab omni naevo vindicatus. Mediolani, 1733. Переведено в издании Engel und Stachel, Die Theorie der Parallellinien. Leipzig, 1895.

385

точки TVпервой прямой на прямую AB, равен СА и DB, то правильность гипотезы прямого угла доказана. Что линия, находящаяся на равном расстоянии от прямой линии, есть тоже прямая, Saccheri основательно не считает положением самоочевидным. Стоит вспомнить только, что круг, параллельный к большому кругу шара, не представляет кратчайшей линии на шар и обе стороны его не покрывают друг друга. Другие экспериментальные доказательства правильности гипотезы прямого угла таковы. Если доказано, что угол в полукруге (фиг. 25) есть прямой угол (а+ р= R), то и 2а + 2ß = 2Л, a это и есть сумма углов в треугольнике ABC. Если радиус нанесен в полукруге 3 раза и прямая, соединяющая первую и четвертую конечную точку, проходит через центр круга, то у точки С (фиг. 26) За = 2R и потому сумма углов в каждом из трех треугольников равна 2R. Существование треугольников неравной величины, но с равными углами (подобных треугольников) тоже можно доказать экспериментально.

Всамом деле, если углы у В и С (фиг. 27) дают β+ δ+ γ+ ε= 4JÏ, то

и4Rравна сумма углов в четырехугольнике ВСВ'С'. Еще Wallis^ обосновал в 1663 году доказательство пятого требования на допущении существования подобных треугольников, а один современный геометр, Делъбёф, вывел всю геометрию Евклида из допущения сходства.

Гипотезу тупого угла, полагал Saccheri, опровергнуть нетрудно. Приступив же к опровержению гипотезы острого угла, он натолкнулся на затруднения и поиски за ожидаемыми противоречиями

18 Enge l und Stacke l, 1. с., стр. 21 и след.

386

A

В

Фиг. 27

увлекли его к выводу ряда дальнейших следствий, с которым впоследствии встретились Лобачевский и Bolyai в их исследованиях. В конце концов он пришел к мысли, что последняя гипотеза должна быть отвергнута, как несовместимая с природой прямой линии, ибо она ведет к допущению различных прямых, совпадающих в бесконечности и, следовательно, имеющих там общий перпендикуляр. Saccheri оказал существенное содействие и в значительной мере подготовил позднейшую работу выяснения, но обнаружил еще некоторую зависимость от традиционных взглядов.

18. Работа Lambert'а от 1766 года19 по методу своему родственна работе Saccheri, но в выводах он идет дальше и обнаруживает более свободный взгляд. Lambert исходит из рассмотрения четырехугольника с тремя прямыми углами и исследует последствия, которые получаются, если принять, что четвертый угол прямой, тупой или острый. Он находит, что подобие фигур не совместимо со вторым и третьим допущением. Случай тупого угла, с которым связана сумма углов треугольника, большая 2/Î,

он находит осуществленным в геометрии сферической поверхности, в которой трудности параллельных линий совершенно отпадают. Это приводит его к догадке, что случай острого угла, с суммой углов треугольника, меньшей 2R, мог бы быть осуществлен на некоторой мнимой сфере. Разность между 2R и суммой углов треугольника в обоих случаях пропорциональна площади треугольника, что можно доказать соответствующим делением больших треугольников на меньшие, причем с уменьшением треугольников сумма углов его может быть сделана произвольно близкой к 2R. Этим Lambert значительно приближается к точке зрения современных геометров. Шар с мнимым радиусом г^ГЛ

ibid., стр. 152 и след.

387

не есть, правда, наглядный геометрический образ, но аналитически он есть поверхность с отрицательной постоянной мерой кривизны Гаусса. Случай этот еще раз показывает как экспериментирование символами может привести исследование на правильный путь в той стадии, когда других точек опоры еще совсем нет и когда следует ценить каждое средство, которое может оказаться полезным20. Думал же, по-видимому, и Гаусс о мнимой сфере, как то видно из его формулы для окружности круга (письмо к Шумахеру от 12 июля 1831 года). При всем том Lambert верит, что настолько приблизился к доказательству пятого требования, что недостающее легко дополнить.

19. Обратимся теперь к тому исследователю, взгляды которого знаменуют собой самый радикальный поворот в понимании геометрии. К сожалению, он сообщил их лишь в кратких устных или письменных замечаниях. «В геометрии Гаусс видел последовательно построенное здание лишь в том случае, если во главе этого здания ставится положение о параллельных линиях, принятое как аксиома. Но он пришел к убеждению, что положение это не может быть доказано, но что оно известно из опыта, например из углов треугольника: Брокен, Хохенхаген и Инзельберг (вершины в Германии), что оно приблизительно верно. Если же не хотят принять названную аксиому, то отсюда следует другая, совершенно самостоятельная геометрия, которую он отчасти исследовал и назвал анти-евклидовой геометрией». Таковы были взгляды Гаусса, согласно сообщению Сарториуса фон Валътерсгаузена21. Примыкая к этим взглядам, О. Stolz в небольшой, но очень содержательной работе22 предпринял попытку вывести основные положения Евклидовой геометрии, не оставляя области фактов, поддающихся наблюдению. Изложим наиболее важное из этой работы. Пусть нам дан один большой треугольник ABC (фиг. 28) с суммой углов, равной 2Ä. Опустив перпендикуляр AD на линию ЕС, мы дополняем фигуру, прибавив к ней BAE = ABD и CAF=ACD, и к фигуре BCFAE прибавляем совместимую с ней фигуру CBHA'G. Таким образом мы получаем один прямоугольник, ибо углы у Е, F, G, Ή прямые, а у А, С, А', В — равные 2R и, следовательно, крайние линии суть прямые и равны противолежащим линиям. Каждый прямоугольник может быть разделен на два совместимых прямоугольника

20См. примечание на стр. 378.

21Gauss zum Gedächtnis. Leipzig, 1856.

22Daz letzte Axiom der Geometrie. Berichte des naturw.-medizin. Vereins zu Innsbruck, 1886, стр. 25^34.

388

перпендикуляром, восстановленным к середине одной его стороны, а, продолжая деление, можно получить перпендикуляр на каком угодно месте разделенной стороны. И то же самое можно сделать и со второй парой противоположных сторон. Таким образом можно из данного прямоугольника ABCD (фиг. 29) вырезать какой угодно меньший прямоугольник AMQP с каким угодно отношением сторон. Диагональ разделяет этот меньший прямоугольник на два совместимых прямоугольных треугольника, так что в каждом из них (независимо от отношения сторон) сумма углов равна 2R. Каждый косоугольный треугольник можно проведением высоты разложить на прямоугольные треугольники, из которых каждый может быть в свою очередь тем же способом разложен на прямоугольные треугольники с меньшей длиной сторон, и таким образом 2R оказывается равной сумме углов каждого треугольника, если только это оказывалось (до точности) верным для одного треугольника. С помощью таких, основанных на наблюдении, положений легко вывести, что противоположные стороны прямоугольника (или вообще так называемого параллелограмма) везде, на каком угодно продолжении, остаются на равном расстоянии друг от друга, т. е. не пересекаются. Эти линии имеют, следовательно, свойства параллельных линий Евклида, а потому и могут быть так названы и определены. В такой же мере следует из свойств треугольников и прямоугольников, что две прямые, пересеченные третьей прямой так, что сумма внутренних углов по одну сторону этой последней меньше 2R, по этой ее стороне и пересекаются, а по обеим сторонам от точки своего пересечения расходятся до бесконечности. Отсюда следует, что прямая бесконечна. Таким образом то, что в качестве аксиомы, в качестве исходного положения, было лишенным основания утверждением, может иметь смысл как вывод.

20. Таким образом геометрия есть применение математики к опыту относительно пространства. Подобно математической физике, она становится дедуктивной точной наукой только тем, что

389

объекты опыта изображает схематическими, идеализированными понятиями. Подобно тому как механика может утверждать постоянство масс или сводить взаимодействие тел к одним ускорениям лишь в пределах ошибок наблюдения, так и существование прямых, плоскостей, величины суммы углов треугольника и т. д. возможно утверждать лишь с тою же оговоркой. Но так же, как физика иногда оказывается вынужденной заменять свои идеальные допущения другими, обыкновенно более общими, например постоянное ускорение падающего тела — ускорением, зависящим от расстояния, постоянное количество теплоты — переменным и т. д., так должна делать это и геометрия под давлением фактов или в виде попытки ради научного выяснения23. После сказанного перед нами явятся в правильном свете попытки Лежандра, Лобачевского и обоих Bolyai, из которых младший находился, может быть, под косвенным влиянием Гаусса.

21. На попытках Schweickarfa и Taurinus'a, тоже современников Гаусса, мы останавливаться не будем. Работы Лобачевского были первыми, которые стали известны в широких кругах и оказали влияние (1829). Очень скоро вслед за этим обнародовал свою работу младший Bolyai (1833), который во всех существенных пунктах сходится с Лобачевским, отличаясь только формой выводов. Судя по актам, теперь легко и в обилии доступным, благодаря прекрасным изданиям EngeFsi и StäckeFx1* можно предположить, что и Лобачевский предпринял свои исследования в надежде, что отрицание аксиомы Евклида приведет к противоречиям. Но когда это ожидание не оправдалось, у него хватило интеллектуального мужества сделать отсюда все выводы. Лобачевский излагает свои выводы в синтетической форме. Но мы можем представить себе те общие аналитические рассуждения, которые, по всей вероятности, подготовили построение его геометрии. Возьмем точку вне прямой g (фиг. 30) и из нее опустим на эту прямую перпендикуляр р.

Фиг. 30

23Разницу между геометрией и физикой Дюгем (La Théorie physique, стр. 290) считает основной и качественной, а я усматриваю здесь только разницу в степени.

24F. Engel, N. L Lobatschefskij, Zwei geometrische Abhandlungen. Leipzig, 1899.

390

Фиг. 31

В плоскости gp проведем через ту же точку прямую, образующую с перпендикуляром острый угол s. Если теперь испытать допущение, что g и А не пересекаются, но что это пересечение произойдет при малейшем уменьшении угла s, то однородность пространства вынуждает к выводу, что и вторая прямая k с тем же углом s по другую сторону перпендикуляра имеет те же свойства. Все проведенные через ту же точку непересекающиеся прямые будут в таком случае лежать между h и k. Эти последние линии, составляющие пределы пересекающихся и непересекающихся линий, Лобачевский и называет параллельными. Во введении к своим «Новым началам геометрии» (1835) Лобачевский рассуждает вполне как натуралист. Никто, конечно, не может предположить, чтобы сколько-нибудь разумный человек допустил «угол параллельности» s значительно меньшим, чем прямой, у прямых линий, которые столь близко лежат друг к другу, что их пересечение делается очевидным уже при небольшом их продолжении. Хотя расчленяемые здесь отношения могут быть изображены лишь грубыми чертежами, но должно помнить, что в действительности, при данных размерах чертежа, отклонение s от прямого угла должно быть так мало, что для нашего глаза линии h и k совпадают до неразличимости. Продолжим теперь перпендикуляр p за точкой пересечения его с А и проведем через конечную его точку новую параллель / к А, которая, конечно, параллельна и к g. Новый угол параллельности s '< s, если только мы не желаем в отношении линий А и / опять вернуться к определениям Евклида. Продолжая далее перпендикуляр и проводя новые параллельные, мы находим, что угол параллельности будет все уменьшаться. Если, далее, отстоящие прямые сильнее сходятся, то, ради последовательности, должно принять, что при сближении линий, при уменьшении перпендикуляра, угол параллельности, наоборот, возрастает. Таким образом угол параллельности есть обратная функция перпендикуляра p и Лобачевский обозначает ее II (р). Пучок параллелей в одной плоскости изображен схематически на фигуре 31.

391

Все параллели асимптотически сближаются со стороны своего схождения. Равномерность пространства требует, чтобы каждая «полоса» между двумя параллелями была совместима со всякой другой, поскольку перемещение производится лишь в направлении длины их.

Фиг. 32

22. Представим себе, что круг беспредельно увеличивается; его радиусы должны перестать пересекаться, когда при нарастании лежащих между ними дуг схождение их будет соответствовать параллелизму. Круг переходит тогда в так называемую «предельную линию». Аналогично с этим шаровая поверхность при беспредельном увеличении превращается в поверхность, которую Лобачевский называет «предельной поверхностью». Отношение предельной линии к предельной поверхности таково же, как большого круга на шаре к шаровой поверхности. Геометрия шаровой поверхности независима от аксиомы параллельных линий. Так как можно доказать, что треугольники из предельных линий на предельной поверхности столь же мало нарушают правило о сумме углов, как конечные сферические треугольники на шаре бесконечного радиуса, то для этих предельных треугольников имеют силу правила геометрии Евклида. Чтобы найти точки предельной линии, берем пучок параллелей (в плоскости): да, 6ß, су, db,... (фиг. 32) и к точке а на прямой аа определяем точки Ъ, су d... на остальных параллелях таким образом, что углы aab = рея, аас = уса, aad = bda ... При однородности всего построения каждая из параллелей может быть рассматриваема, как «ось» предельной линии, которая, вращаясь около этой оси, описывает предельную поверхность. Таким же образом можно каждую из параллелей рассматривать как ось предельной поверхности. На том же основании все предельные линии и предельные поверхности совместимы. Пересечение каждой плоскости с предельной поверхностью есть круг, и только когда ось лежит в плоскости, мы получаем вместо круга предельную линию. В гео-

392

метрии Евклида нет ни предельных линий, ни предельных поверхностей. Аналогами их являются в ней прямая линия и плоскость. Если нет предельной линии, то три произвольные точки, не лежащие на одной прямой, должны лежать на круге. На этом основании /. Bolyai мог заменить этим последним требованием аксиому Евклида.

23. Пусть (фиг. 32) яа, £ß, су... представляют систему параллелей и ае, al9 е{, а2, е2... систему предельных линий, из которых каждая система делит другую на равные части. Отношение двух предельных дуг между одними и теми же параллелями, например ad=u и a^d^—u ', зависит тогда исключительно от расстояния между ними, т. е. от аа^х. Можно положить вообще, что

туральных логарифмов. Этим путем вводятся экспоненциальные и через них гиперболические функции. Для угла параллельности

1 -k π

находим: s = cotII(/?) = e . При/? = 0, s = -, а при/? = оо, s = 0.

Рассмотрим один пример, освещающий отношение геометрии Лобачевского к геометрии Евклида и сферической геометрии. Для прямолинейного треугольника Лобачевского со сторонами а, Ь, с и противолежащими углами А, В, С мы имеем, если С есть прямой угол:

При этом sh означает гипербологический синус.

ShX = V. + ^\+^\+~J\+K и8 шх=--- + ---+к

Если рассматривать содержащиеся в предыдущем отношении sin (xi) = / · sh χ или sh (xi) = / · sin x между круговой и гиперболической функциями, то нетрудно видеть, что приведенная выше формула для треугольника Лобачевского переходит в фор-

мулу сферического треугольника sin— = sin—sinА, если в первой k k

заменить k через ki и рассматривать k как радиус шара, которому, правда, в обычных формулах дают значение единицы. Обратное превращение сферической формулы в формулу Лобачевского тем же путем ясно само собой. Для k, очень большого сравнительно с а и с, мы можем ограничиться первым

членом разложения sh или sin и в обоих случаях получаем

а с

— = — · sinА или а = с · sin А, т. е. формулу плоской геометрии Ев- k k

клида, которую мы таким образом рассматриваем как предельный случай как геометрии Лобачевского, так и сферической геометрии для очень больших значений k или для k = оо. Мы можем также сказать, что в бесконечно малом все три геометрии совпадают.

24. Итак, мы видим, что, допустив сходимость параллельных прямых, мы можем развить систему геометрии, свободную от внутренних противоречий. Правда, это допущение не подтверждается ни одним наблюдением доступных нам геометрических фактов и в такой мере противоречит нашему геометрическому инстинкту, что делает вполне понятным отношение старых исследователей, как SacchenH Lambert. Наше представление, руководимое созерцанием и привычными евклидовскими понятиями, может только частями и постепенно приспособляться к требованиям геометрии Лобачевского. Мы должны при этом руководствоваться больше геометрическими понятиями, чем чувственными образами доступной нам небольшой пространственной области. Должно однако признать, что математические количественные понятия, при помощи которых мы самодеятельно изображаем факты геометрического опыта, не абсолютно соответствуют этим последним. Как и физические теории, геометрическая теория более проста и точна, чем то собственно может быть доказано опытом с его случайными уклонениями. Разные понятия могут в области, доступной наблюдению, одинаково точно выражать факты. Таким образом должно отличать факты от умственных образов, которые они возбудили. Последние, т. е. понятия, должны быть лишь согласимы с наблюдением и кроме того логически не противоречить друг другу. Эти два требования могут быть однако осуществлены многообразно, и отсюда различные системы геометрии.

25. Из работ Лобачевского видно, что они представляют результат долголетнего и напряженного умственного труда, и можно предполагать, что он сначала должен был общими рассуждениями и аналитическими вычислениями выработать себе общую картину своей системы, прежде чем был в состоянии изложить ее в синтетической форме. Привлекательной эту тяжеловесную Евклидовскую форму никак нельзя назвать и, может быть, именно этой форме главным образом надо приписать то, что значение работ Лобачевского и Bolyai так поздно получило всеобщее признание.

394