теоремы геометрии Лобачевского
1. Основные понятия геометрии Лобачевского
В евклидовой геометрии согласно пятому постулату на плоскости через точку Р, лежащую вне прямой А"А, проходит только одна прямая В"В, не пересекающая А"А. Прямая В"В называется параллелью к А"А. При этом достаточно потребовать, чтобы таких прямых проходило не более одной, так как существование непересекающей прямой может быть доказано путем последовательного проведения прямых PQA"A и PBPQ. В геометрии Лобачевского аксиома параллельности требует, чтобы через точку Р проходило более одной прямой, не пересекающей А "А.
Непересекающие прямые заполняют часть пучка с вершиной Р, лежащую внутри пары вертикальных углов TPU и U"PT" , расположенных симметрично относительно перпендикуляра PQ. Прямые, образующие стороны вертикальных углов, отделяют пересекающие прямые от непересекающих и сами являются тоже непересекающими. Эти граничные прямые называются параллелями в точке Р к прямой А"А соответственно в двух ее направлениях: T"Т параллельно А "А в направлении A"A, a UU" параллельно А "А в направлении А А". Остальные непересекающие прямые называются расходящимися прямыми с А "А .
Угол , 0< Р образует с перпендикуляром PQ, QPT= QPU" =, называется углом параллельности отрезка PQ=a и обозначается через . При а=0 угол =/2; при увеличении а угол уменьшается так, что для каждого заданного, 0<а. Эта зависимость называется функцией Лобачевского :
П (a)=2arctg (),
где к -- некоторая константа, определяющая фиксированный по величине отрезок. Она получила название радиуса кривизны пространства Лобачевского. Подобно сферической геометрии существует бесконечное множество пространств Лобачевского, различающихся величиной к.
Две различные прямые по плоскости образуют пару одного из трех типов.
Пересекающиеся прямые . Расстояние от точек одной прямой до другой прямой неограниченно увеличивается при удалении точки от пересечения прямых. Если прямые не перпендикулярны, то каждая проектируется ортогонально на другую в открытый отрезок конечной величины.
Параллельные прямые . На плоскости через данную точку проходит единственная прямая, параллельная данной прямой в заданном на последней направлении. Параллель в точке Р сохраняет в каждой своей точке свойство быть параллелью той же прямой в том же направлении. Параллелизм обладает взаимностью (если а ||b в определенном направлении, то и b ||а в соответствующем направлении) и транзитивностью (если а ||b и с||b в одном направлении, то а||с в соответствующем направлении). В направлении параллельности параллельные неограниченно сближаются, в противоположном направлении -- неограниченно удаляются (в смысле расстояния от перемещающейся точки одной прямой до другой прямой). Ортогональная проекция одной прямой на другую является открытой полупрямой.
Расходящиеся прямые . Они имеют один общий перпендикуляр, отрезок которого дает минимальное расстояние. По обе стороны от перпендикуляра прямые неограниченно расходятся. Каждая прямая проектируется на другую в открытый отрезок конечной величины.
Трем типам прямых соответствуют на плоскости три типа пучков прямых, каждый из которых покрывает всю плоскость: пучок 1-го рода -- множество всех прямых, проходящих через одну точку (центр пучка); пучок 2-го рода -- множество всех прямых, перпендикулярных к одной прямой (базе пучка); пучок 3-го рода -- множество всех прямых, параллельных одной прямой в заданном направлении, включающее и эту прямую.
Ортогональные траектории прямых этих пучков образуют аналоги окружности евклидовой плоскости: окружность в собственном смысле; эквидистанта , или линия равных расстояний (если не рассматривать базу), которая вогнута в сторону базы; предельная линия , или орицикл , ее можно рассматривать как окружность с бесконечно удаленным центром. Предельные линии конгруэнтны. Они не замкнуты и вогнуты в сторону параллельности. Две предельные линии, порожденные одним пучком,-- концентричны (высекают на прямых пучка равные отрезки). Отношение длин концентрических дуг, заключенных между двумя прямыми пучка, убывает в сторону параллельности как показательная функция расстояния х между дугами:
s" / s=e .
Каждый из аналогов окружности может скользить по самому себе, что порождает три типа однопараметрических движений плоскости: вращение вокруг собственного центра; вращение вокруг идеального центра (одна траектория -- база, остальные -- эквидистанты); вращение вокруг бесконечно удаленного центра (все траектории -- предельные линии).
Вращение аналогов окружностей вокруг прямой порождающего пучка приводит к аналогам сферы: собственно сфере, поверхности равных расстояний и орисфере , или предельной поверхности .
На сфере геометрия больших окружностей -- обычная сферическая геометрия; на поверхности равных расстояний -- геометрия эквидистант, являющаяся планиметрией Лобачевского, но с большим значением к; на предельной поверхности -- евклидова геометрия предельных линий.
Связь между длинами дуг и хорд предельных линий и евклидовы тригонометрические соотношения на предельной поверхности позволяют вывести тригонометрические соотношения на плоскости, то есть тригонометрические формулы для прямолинейных треугольников.
2. Некоторые теоремы геометрии Лобачевского
Теорема 1 . Сумма углов всякого треугольника меньше 2d.
Рассмотрим сначала прямоугольный треугольник ABC (рис. 2). Его стороны а, b, с изображены соответственно в виде отрезка евклидова перпендикуляра к прямой и , дуги евклидовой окружности с центром М и дуги евклидовой окружности с центром N . Угол С --прямой. Угол А равен углу между касательными к окружностям b и с в точке А , или, что то же, углу между радиусами NA и МА этих окружностей. Наконец, B = BNМ.
Построим на отрезке BN как на диаметре евклидову окружность q; она имеет с окружностью с одну только общую точку В , так как ее диаметр является радиусом окружности с . Поэтому точка А лежит вне круга, ограниченного окружностью q, следовательно,
А = MAN < MBN.
Отсюда в силу равенства MBN+В = d имеем:
А +В < d; (1)
поэтому A + B + C < 2d, что и требовалось доказать.
Заметим, что с помощью надлежащего гиперболического движения любой прямоугольный треугольник можно расположить так, чтобы один из его катетов лежал на евклидовом перпендикуляре к прямой и; следовательно, использованный нами метод вывода неравенства (1) применим к любому прямоугольному треугольнику.
Если дан косоугольный треугольник, то разбиваем его одной из высот на два прямоугольных треугольника. Сумма острых углов этих прямоугольных треугольников равна сумме углов данного косоугольного треугольника. Отсюда, принимая во внимание неравенство (1) , заключаем, что теорема справедлива для любого треугольника.
Теорема 2. Сумма углов четырехугольника меньше 4d.
Для доказательства достаточно разбить четырехугольник диагональю на два треугольника.
Теорема 3. Две расходящиеся прямые имеют один и только один общий перпендикуляр.
Пусть одна из данных расходящихся прямых изображается на карте в виде евклидова перпендикуляра р к прямой и в точке М , другая -- в виде евклидовой полуокружности q с центром на и , причем р и q не имеют общих точек (рис. 3). Такое расположение двух расходящихся гиперболических прямых на карте всегда может быть достигнуто с помощью надлежащего гиперболического движения.
Проведем из М евклидову касательную MN к q и опишем из центра М радиусом MN евклидову полуокружность m . Ясно, что m --гиперболическая прямая, пересекающая и р и q под прямым углом. Следовательно, m изображает на карте искомый общий перпендикуляр данных расходящихся прямых.
Две расходящиеся прямые не могут иметь двух общих перпендикуляров, так кaк в этом случае существовал бы четырехугольник с четырьмя прямыми углами, что противоречит теореме 2.
. Теорема 4. Прямоугольная проекция стороны острого угла на другую его сторону есть отрезок (а не полупрямая, как в геометрии Евклида).
Справедливость теоремы очевидна из рис. 4, где отрезок АВ есть прямоугольная проекция стороны АВ острого угла ВАС на его сторону АС.
На том же рисунке дуга DE евклидовой окружности с центром М есть перпендикуляр к гиперболической прямой АС . Этот перпендикуляр не пересекается с наклонной АВ. Следовательно, допущение, что перпендикуляр и наклонная к одной и той же прямой всегда пересекаются, противоречит аксиоме параллельности Лобачевского; оно равносильно аксиоме параллельности Евклида.
Теорема 5. Если три угла треугольника ABC равны соответственно трем углам треугольника А"В"С", то эти треугольники равны.
Допустим обратное и отложим соответственно на лучах АВ и АС отрезки АВ = А"В", АС = А"С". Очевидно, треугольники АВС и А"В"С" равны по двум сторонам и заключенному между ними углу. Точка B не совпадает с В , точка C не совпадает с С , так как в любом из этих случаев имело бы место равенство данных треугольников, что противоречит допущению.
Рассмотрим следующие возможности.
а) Точка В лежит между А и В , точка С -- между А и С (рис. 5); на этом и следующем рисунке гиперболические прямые изображены условно в виде евклидовых прямых). Нетрудно убедиться, что сумма углов четырехугольника ВССВ равна 4d , что невозможно в силу теоремы 2.
6) Точка В лежит между А и В , точка С -- между А и С (рис. 6). Обозначим через D точку пересечения отрезков ВС и BC Так как C = C" и C" = С, то C= С, что невозможно, поскольку угол С -- внешний относительно треугольника CCD.
Аналогично трактуются и другие возможные случаи.
Теорема доказана, поскольку сделанное допущение привело к противоречию.
Из теоремы 5 вытекает, что в геометрии Лобачевского не существует треугольника, подобного данному треугольнику, но не равного ему.
», посвященного отношениям российской и британской науки, математик Валентина Кириченко рассказывает ПостНауке о революционности идей Лобачевского для геометрии XIX века.
Параллельные прямые не пересекаются даже в геометрии Лобачевского. Где-то в фильмах часто можно встретить фразу: «А у нашего Лобачевского параллельные прямые пересеклись». Звучит красиво, но не соответствует действительности. Николай Иванович Лобачевский действительно придумал необыкновенную геометрию, в которой параллельные прямые ведут себя совсем не так, как мы привыкли. Но все же не пересекаются.
Мы привыкли думать, что две параллельные прямые не сближаются и не удаляются. То есть, какую бы точку на первой прямой мы ни взяли, расстояние от нее до второй прямой одно и то же, от точки не зависит. Но действительно ли это так? И почему это так? И как это вообще можно проверить?
Если речь идет о физических прямых, то для наблюдения нам доступен только небольшой участок каждой прямой. А учитывая погрешности измерения, мы не сможем сделать никаких определенных выводов о том, как прямые ведут себя очень-очень далеко от нас. Подобные вопросы возникали уже у древних греков. В III веке до нашей эры древнегреческий геометр Евклид очень точно изложил основное свойство параллельных линий, которое он не мог ни доказать, ни опровергнуть. Поэтому он назвал его постулатом - утверждением, которое следует принять на веру. Это знаменитый пятый постулат Евклида: если две прямые на плоскости пересечь с секущей, так что сумма внутренних односторонних углов меньше двух прямых, то есть меньше 180 градусов, то при достаточном продолжении эти две прямые пересекутся, причем именно по ту сторону от секущей, по которую сумма меньше двух прямых углов.
Ключевые слова в этом постулате - «при достаточном продолжении». Именно из-за этих слов постулат невозможно проверить опытным путем. Может быть, прямые пересекутся в зоне видимости. Может быть, через 10 километров или за орбитой Плутона, а может быть, вообще в другой галактике.
Свои постулаты и результаты, которые из них логически следуют, Евклид изложил в знаменитой книге «Начала». От древнегреческого названия этой книги происходит русское слово «стихии», а от латинского названия - слово «элементы». «Начала» Евклида - это самый популярный учебник всех времен и народов. По числу изданий он уступает только Библии.
Особенно хочется отметить замечательное британское издание 1847 года с очень наглядной и красивой инфографикой. Вместо унылых обозначений на чертежах там используются цветные рисунки - не то, что в современных школьных учебниках геометрии.
Вплоть до прошлого века «Начала» Евклида были обязательны для изучения на всех образовательных программах, где подразумевалось интеллектуальное творчество, то есть не просто обучение ремеслу, а что-то более интеллектуальное. Неочевидность пятого постулата Евклида вызвала естественный вопрос: нельзя ли его доказать, то есть вывести логически из остальных допущений Евклида? Это пытались сделать очень многие математики от современников Евклида до современников Лобачевского. Как правило, они сводили пятый постулат к какому-то более наглядному утверждению, в которое проще поверить.
Например, в XVII веке английский математик Джон Валлис свел пятый постулат к такому утверждению: существует два подобных, но неравных треугольника, то есть два треугольника, у которых углы равны, а размеры разные. Казалось бы, что может быть проще? Просто изменим масштаб. Но, оказывается, возможность менять масштаб с сохранением всех углов и пропорций - это эксклюзивное свойство евклидовой геометрии, то есть геометрии, в которой выполнены все постулаты Евклида, включая пятый.
В XVIII веке шотландский ученый Джон Плейфэр переформулировал пятый постулат в том виде, в котором он обычно фигурирует в современных школьных учебниках: две прямые, пересекающие друг друга, не могут быть одновременно параллельны третьей прямой. Именно в таком виде пятый постулат фигурирует в современных школьных учебниках.
К началу XIX века у многих сложилось впечатление, что доказывать пятый постулат - это все равно что изобретать вечный двигатель - совершенно бесполезное занятие. Но и предположить, что геометрия Евклида не единственно возможная, ни у кого не хватило духу: слишком велик был авторитет Евклида. В такой ситуации открытия Лобачевского были, с одной стороны, закономерны, а с другой - абсолютно революционны.
Лобачевский заменил пятый постулат на прямо противоположное утверждение. Аксиома Лобачевского звучала так: если из точки, не лежащей на прямой, выпустить все лучи, пересекающие эту прямую, то слева и справа эти лучи будут ограничены двумя предельными лучами, которые прямую уже не пересекут, но будут становиться к ней все ближе и ближе. Причем угол между этими предельными лучами будет строго меньше 180 градусов.
Из аксиомы Лобачевского сразу следует, что через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести не одну прямую, параллельную данной, как у Евклида, а сколько угодно. Но вести себя эти прямые будут иначе, чем у Евклида. Например, если у нас есть две параллельные прямые, то они могут сначала сближаться, а потом удаляться. То есть расстояние от точки на первой прямой до второй прямой будет зависеть от точки. Будет разным для разных точек.
Геометрия Лобачевского противоречит нашей интуиции отчасти потому, что на небольших расстояниях, с которыми мы обычно имеем дело, она очень мало отличается от евклидовой. Похожим образом мы воспринимаем кривизну поверхности Земли. Когда мы идем от дома к магазину, нам кажется, что мы идем по прямой, а Земля плоская. Но если мы летим, скажем, из Москвы в Монреаль, то мы уже замечаем, что самолет летит по дуге окружности, потому что именно это кратчайший путь между двумя точками на поверхности Земли. То есть мы замечаем, что Земля больше похожа на футбольный мяч, чем на блин.
Геометрию Лобачевского тоже можно проиллюстрировать с помощью футбольного мяча, только не обычного, а гиперболического. Гиперболический футбольный мяч склеен примерно как обычный. Только в обычном мяче к черным пятиугольникам приклеиваются белые шестиугольники, а в гиперболическом мяче вместо пятиугольников нужно делать семиугольники и тоже обклеивать их шестиугольниками. При этом получится уже, конечно, не мяч, а скорее седло. И на этом седле реализуется геометрия Лобачевского.
О своих открытиях Лобачевский пытался рассказать в 1826 году в Казанском университете. Но текста доклада не сохранилось. В 1829 году он опубликовал статью о своей геометрии в университетском журнале. Результаты Лобачевского многим казались бессмысленными - не только потому, что они разрушали привычную картину мира, но потому, что изложены были не самым понятным образом.
Однако были у Лобачевского публикации и в высокорейтинговых журналах, как мы их сегодня называем. Например, в 1836 году он опубликовал статью под названием «Воображаемая геометрия» на французском в знаменитом журнале Крелля, в одном номере со статьями известнейших математиков того времени - Дирихле, Штейнера и Якоби. А в 1840 году Лобачевский издал небольшую и очень понятно написанную книгу под названием «Геометрические исследования по теории параллельных линий». Книга была на немецком и издана была в Германии. Тут же появилась разгромная рецензия. Рецензент особенно издевался над фразой Лобачевского: «Чем далее продолжаем прямые в сторону их параллелизма, тем больше они приближаются друг к другу». «Одно это высказывание, - писал рецензент, - уже достаточно характеризует сочинение господина Лобачевского и освобождает рецензента от необходимости дальнейшей его оценки».
Но нашелся у книги и один непредвзятый читатель. Это был Карл Фридрих Гаусс, также известный под прозвищем Король Математиков, один из величайших математиков в истории. Он высоко оценил книгу Лобачевского в одном из своих писем. Но его отзыв опубликовали только после его смерти вместе с остальной перепиской. И вот тогда начался настоящий бум геометрии Лобачевского.
В 1866 году его книгу перевели на французский язык, затем на английский. Причем английское издание было переиздано еще три раза из-за необычайной популярности. К сожалению, Лобачевский до этого времени не дожил. Он умер в 1856 году. А в 1868-м появилось русское издание книги Лобачевского. Оно вышло не книгой, а статьей в старейшем российском журнале «Математический сборник». Но тогда этот журнал был совсем молодым, ему не исполнилось еще и двух лет. Но более известен русский перевод 1945 года, выполненный замечательным российским и советским геометром Вениамином Федоровичем Каганом.
К концу XIX века математики разделились на два лагеря. Одни сразу приняли результаты Лобачевского и стали дальше развивать его идеи. А другие так и не смогли отказаться от веры, что геометрия Лобачевского описывает что-то несуществующее, то есть геометрия Евклида единственно верная и ничего другого быть не может. К сожалению, к числу последних относился и математик, больше известный как автор «Алисы в стране чудес», - Льюис Кэрролл. Его настоящее имя Чарльз Доджсон. В 1890 году он опубликовал статью под названием «Новая теория параллельных», где защищал исключительно наглядную версию пятого постулата. Аксиома Льюиса Кэрролла звучит так: если в круг вписать правильный четырехугольник, то площадь этого четырехугольника будет строго больше, чем площадь любого из сегментов круга, лежащих вне четырехугольника. В геометрии Лобачевского эта аксиома неверна. Если мы возьмем достаточно большой круг, то, какой бы четырехугольник мы в него ни вписали, какие бы длинные стороны у этого четырехугольника ни были, площадь четырехугольника будет ограничена универсальной физической постоянной. Вообще наличие физических констант и универсальных мер длины - это выгодное отличие геометрии Лобачевского от геометрии Евклида.
Зато Артур Кэли, другой известный английский математик, в 1859 году, то есть всего через три года после смерти Лобачевского, издал статью, которая впоследствии помогла легализовать постулат Лобачевского. Интересно, что Кэли в это время подрабатывал юристом в Лондоне и лишь потом получил профессорскую позицию в Кембридже. Фактически Кэли построил первую модель геометрии Лобачевского, хотя и решал, на первый взгляд, совсем другую задачу.
А другой замечательный английский математик, которого звали Уильям Кингдон Клиффорд, глубоко проникся идеями Лобачевского. И в частности, он первый высказал идею задолго до создания общей теории относительности, что гравитация вызвана искривлением пространства. Клиффорд так оценил вклад Лобачевского в науку в одной из своих лекций о философии науки: «Лобачевский для Евклида стал тем же, кем Коперник стал для Птолемея». Если до Коперника человечество полагало, что мы знаем о Вселенной все, то теперь нам ясно, что мы наблюдаем лишь небольшую часть Вселенной. Так же и до Лобачевского человечество считало, что есть только одна геометрия - евклидова, о ней все давно известно. Теперь мы знаем, что геометрий много, а знаем мы о них далеко не все.
7 февраля 1832 года Николай Лобачевский представил на суд коллег свой первый труд по неевклидовой геометрии. Этот день стал началом переворота в математике, а работа Лобачевского - первым шагом к теории относительности Эйнштейна. Сегодня "РГ" собрала пятерку самых распространенных заблуждений о теории Лобачевского, бытующих среди далеких от математической науки людей
Миф первый. Геометрия Лобачевского не имеет ничего общего с Евклидовой.
На самом деле геометрия Лобачевского не слишком сильно отличается от привычной нам Евклидовой. Дело в том, что из пяти постулатов Евклида четыре первых Лобачевский оставил без изменения. То есть он согласен с Евклидом в том, что между двумя любыми точками можно провести прямую, что ее всегда можно продолжить до бесконечности, что из любого центра можно провести окружность с любым радиусом, и что все прямые углы равны между собой. Не согласился Лобачевский только с пятым, наиболее сомнительным с его точки зрения постулатом Евклида. Звучит его формулировка чрезвычайно мудрено, но если переводить ее на понятный простому человеку язык, то получается, что, по мнению Евклида, две непараллельные прямые обязательно пересекутся. Лобачевский сумел доказать ложность этого посыла.
Миф второй. В теории Лобачевского параллельные прямые пересекаются
Это не так. На самом деле пятый постулат Лобачевского звучит так: "На плоскости через точку, не лежащую на данной прямой, проходит более чем одна прямая, не пересекающая данную". Иными словами, для одной прямой можно провести как минимум две прямые через одну точку, которые не будут ее пересекать. То есть в этом постулате Лобачевского речи о параллельных прямых вообще не идет! Говорится лишь о существовании нескольких непересекающихся прямых на одной плоскости. Таким образом, предположение о пересечении параллельных прямых родилось из-за банального незнания сути теории великого российского математика.
Миф третий. Геометрия Лобачевского - единственная неевклидова геометрия
Неевклидовы геометрии - это целый пласт теорий в математике, где основой является отличный от Евклидова пятый постулат. Лобачевский, в отличие от Евклида, к примеру, описывает гиперболическое пространство. Существует еще теория, описывающая сферическое пространство - это геометрия Римана. Вот в ней-то как раз параллельные прямые пересекаются. Классический тому пример из школьной программы - меридианы на глобусе. Если посмотреть на лекало глобуса, то окажется, что все меридианы параллельны. Меж тем, стоит нанести лекало на сферу, как мы видим, что все ранее параллельные меридианы сходятся в двух точках - у полюсов. Вместе теории Евклида, Лобачевского и Римана называют "три великих геометрии".
Миф четвертый. Геометрия Лобачевского не применима в реальной жизни
Напротив, современная наука приходит к пониманию, что Евклидова геометрия - лишь частный случай геометрии Лобачевского, и что в реальный мир точнее описывается именно формулами русского ученого. Сильнейшим толчком к дальнейшему развитию геометрии Лобачевского стала теория относительности Альберта Эйнштейна, которая показала, что само пространство нашей Вселенной не является линейным, а представляет собой гиперболическую сферу. Между тем, сам Лобачевский, несмотря на то, что всю жизнь работал над развитием своей теории, называл ее "воображаемой геометрией".
Миф пятый. Лобачевский первым создал неевклидову геометрию
Это не совсем так. Параллельно с ним и независимо от него к подобным выводам пришли венгерский математик Янош Бойяи и знаменитый немецкий ученый Карл Фридрих Гаусс. Однако труды Яноша не были замечены широкой публикой, а Карл Гаусс и вовсе предпочел не издаваться. Поэтому именно наш ученый считается первопроходцем в этой теории. Однако существует несколько парадоксальная точка зрения, что первым неевклидову геометрию придумал сам Евклид. Дело в том, что он самокритично считал свой пятый постулат не очевидным, поэтому большую часть из своих теорем он доказал, не прибегая к нему.
Ни в какой. По определению, параллельные прямые не имеют точек пересечения.
Теперь давайте по геометриям и заблуждениям. Всюду будут рассматриваться "плоскости", чтобы это ни значило.
Геометрия Евклида. То, что учили в школе, то, что привычнее и почти точно выполняется в повседневной жизни. Выделю те два факта, что будут существенны потом. Первое: в этой геометрии есть расстояние, между любыми двумя точками существует кратчайшая, и притом только одна (отрезок прямой). Второе: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести прямую, параллельную данной и при том только одну.
Это соответствует какой-то паре аксиом из учебника Погорелова, поэтому мне удобнее будет на это опираться.
Геометрия Лобачевского. С расстоянием в ней все отлично, но нам его сложно представить из-за постоянной отрицательной кривизны (не поняли - не страшно). С параллельностью сложнее. Через точку вне прямой всегда можно провести не просто одну, а бесконечно много параллельных прямых.
Сферическая геометрия. Во-первых, что мы считаем "прямыми". Прямые на сфере - большие круги = круги, высекаемык на сфере плоскостью, проходящей через центр = круги радиуса равного радиусу сферы. Это прямые в том смысле, что это кратчайший путь между не очень далекими (чуть позже станет понятно, какими) точками. Некоторые могли заметить, что если города находятся на одной параллели, то самолет летит не по этой параллели, а по траектории выпуклой на север в северном полушарии. Если порисуете, то заметите, что большой круг, соединяющий две точки проходит северней параллели.
Чем же плохо расстояние на сфере? Возьмем диаметрально противоположные точки на сфере, для них существует бесконечно много кратчайших. Нагляднее: посмотрю на северный и южный полюса. Все мерилианы проходят через них, все они имеют одинаковые длины, любой другой путь будет длиннее.
Параллельных прямых при этом нет совсем, любые две прямые пересекаютсяются в диаметрально противоположных точках.
Проективная плоскость. Самое главное и первое отличие: никакого расстояния нет и быть не может. В принципе, его нельзя ввести, чтобы оно удовлетворяло каким-то естественным условиям (сохранялось при "движениях" плоскости). Таким образом, ни про какие "бесконечно удаленные прямые" сама геометрия не знает, все это придумано людьми, чтобы как-то понять проективную плоскость. Самый "простой" способ: представить привычную нам плоскость (так называемую "аффинную карту") и добавить к ней прямую, которая "бесконечно удалена", причем все прямые, которые были параллельны данной в плоскости, которую представили, пересекутся в какой-то одной точке на этой "бесконечно удаленной" прямой. Такое описание довольно просто: вот я что-то написал в два предложения, и кто-то что-то уже представил. Но оно вводит в заблуждение, никакой выделенной прямой в проективной геометрии нет. Но уже это описание показывает, что параллельных прямых
Мы привыкли думать, что геометрия наблюдаемого мира евклидова, т.е. в нем выполняются законы той геометрии, которая изучается в школе. На самом деле это не совсем так. В этой статье мы рассмотрим проявления в реальности геометрии Лобачевского, которая, на первый взгляд, является сугубо абстрактной.
Геометрия Лобачевского отличается от привычной евклидовой тем, что в ней через точку, не лежащую на данной прямой, проходят по крайней мере две прямые, лежащие с данной прямой в одной плоскости и не пересекающие её. Ее также называют гиперболической геометрией.
1. Евклидова геометрия — через белую точку проходит только одна прямая, которая не пересекает желтую прямую
2. Геометрия Римана — любые две прямые пересекаются (не существует параллельных прямых)
3. Геометрия Лобачевского — существует бесконечно много прямых не пересекающих желтую линию и проходящих через белую точку
Для того, чтобы читатель мог это себе наглядно представить, кратко опишем модель Клейна. В этой модели плоскость Лобачевского реализуется как внутренность круга радиуса один, где точками плоскости являются точки этого круга, а прямыми — хорды. Хорда — прямая, соединяющая две точки окружности. Расстояние между двумя точками определяется достаточно сложно, но оно нам не понадобится. Из рисунка выше становится понятно, что через точку Р проходит бесконечно много прямых, не пересекающих прямую а. В стандартной Евклидовой геометрии, существует лишь одна прямая проходящая через точку Р и не пересекающая прямую а. Эта прямая является параллельной.
Теперь перейдем к главному — практическим применениям геометрии Лобачевского.
Спутниковые навигационные системы (GPS и ГЛОНАСС) состоят из двух частей: орбитальная группировка из 24-29 спутников, равномерно расположенных вокруг Земли, и управленческий сегмент на Земле, обеспечивающий синхронизацию времени на спутниках и использование ими единой системы координат. На спутниках установлены очень точные атомные часы, а в приемниках (GPS-навигаторах) обычные, кварцевые. В приемниках также есть информация о координатах всех спутников в любой момент времени. Спутники с маленькими интервалами передают сигнал, содержащий данные о времени начала передачи. Получив сигнал от не менее четырех спутников, приемник может скорректировать свои часы и вычислить расстояния до этих спутников по формуле ((время отправки сигнала спутником) — (время приема сигнала от спутника)) х (скорость света) = (расстояние до спутника). Вычисленные расстояния также корректируются по встроенным в приемник формулам. Далее, приемник находит координаты точки пересечения сфер с центрами в спутниках и радиусами, равными вычисленным расстояниям до них. Очевидно, это будут координаты приемника.
Читателю наверняка известно, что, благодаря эффекту в Специальной теории относительности, из-за большой скорости спутника время на орбите идет отлично от времени на Земле. Но еще есть подобный эффект в Общей теории относительности, связанный как раз с неевклидовой геометрией пространства-времени. Опять же не будем вдаваться в математические подробности поскольку они довольно таки абстрактные. Но, если перестать учитывать эти эффекты, то уже за сутки работы в показаниях навигационной системы накопится ошибка порядка 10 км.
Формулы геометрии Лобачевского также используются в физике высоких энергий, а именно, в расчетах ускорителей заряженных частиц. Гиперболические пространства (т.е. пространства, в которых действуют законы гиперболической геометрии) встречаются и в самой природе. Приведем побольше примеров:
Геометрия Лобачевского проглядывается в структурах кораллов, в организации клеточных структур у растении, в архитектуре, у некоторых цветков и так далее. Кстати, если вы помните в прошлом выпуске мы рассказывали о шестиугольниках в природе, так вот, в гиперболической природе альтернативой являются семиугольники, которые также широко распространены.
