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「ユークリッドの平行線公準」という難問 ユークリッドの書いた本『原論』の中には、幾何学に関する公理が列挙されています。(ユークリッドは現代でいう「公理」をさらに分類して「公理」と「公準」とに分けていますが、現代ではこのような区別をせず、全て「公理」と扱います。)これをまずは見てみましょう。 ユークリッドは図形に関する公準(公理)として、次の5つを要請するとしています。 第1公準:『任意の一点から他の一点に対して線分を引くことができる』 第2公準:『線分を連続的にまっすぐどこまでも延長できる』 第3公準:『任意の中心と半径で円を描くことができる』 第4公準:『すべての直角は互いに等しい』 第5公準:『直線が二直線と交わるとき、同じ側の内角の和が2直角(180度)より小さい場合、その二直線は内角の和が2直角より小さい側で交わる』 この「第5公準」を使えば、「平行線の同位角は等しい」は比較的簡単に証明できます。この第5公準のことを「平行線公準」とも呼びます。 しかし、この 「第5公準」は他の公理と比べてもずいぶんと内容が複雑ですし、一見して明らかとも言いにくい ですよね。 実は古代の数学者たちもそう思っていました。この複雑な「公準」は、他の公理を用いて証明できる(つまり、公理ではなく定理である)のではないか? と考えたんです。 実際にプトレマイオスが証明を試みましたが、彼の「証明」は第5公準から導いた他の定理を使っており、循環論法になってしまっていました。 これ以降も数多くの数学者が証明を試みましたが、ことごとく失敗していきます。そして、『原論』からおよそ2000年もの間、「第5公準の証明」は数学上の未解決問題として残り続けたんです。 「平行線公準問題」はどう解決されたか この問題は19世紀になって、ロバチェフスキーとボーヤイという数学者によってようやく解決されましたが、その方法は 「曲面上の図形の性質を考察する」 という一見すると奇想天外なものでした。 平らな平面の話をしているのに、なぜ曲がった面の話が出てくるのか? その理屈はこういうことです。 曲面上に「点」や「直線」や「三角形」などの図形を設定する ある曲面上の図形について、 「第5公準」以外の全ての公理 を満たすようにすることができる しかし、この曲面上の図形は「第5公準」だけは満たさない この「曲面上の図形の性質」が矛盾を起こさないなら、「第5公準以外の公理」と「第5公準の否定」は両立できるということですから、第5公準は他の公理からはどうやっても証明できないことになります。こうして、 「ユークリッドの第5公準は証明できない」ことが証明されました。 こう聞くと、ちょっとだまされたような気分になる人もいるかもしれません。でも論理的におかしなところはありませんし、この「証明できないことの証明」は、きちんと数学的に正しいものとして受け入れられました。 この成果は「曲がった面の図形の性質を探る」という新しい「非ユークリッド幾何学」へと発展していきました。この理論がアインシュタインの一般相対性理論へと結び付いたのは 別のコラムの記事 でお話しした通りです。 もっと分かりやすい「公理」はないか?
図でl // mである。それぞれ∠xの大きさを求めよ。 l m 66° x 74° 87° 152° 56° 97° 58° 52° 68° 64° 53° 81° 中1 計算問題アプリ 正負の数 中1数学の正負の数の計算問題 加法減法乗法除法、累乗、四則計算
平行線はとてもおもしろい線です。 角度ページから平行線の問題だけここへ集めました。 平行線 平行線 図の中の平行線を探そう 平行線の性質(同位角) 平行線の作る角(錯角:Zの位置の角) 交わった線の作る角度 対頂角(たいちょうかく) 平行線の性質を使って 平行線と角の応用問題 平行線の間にある角度4 発展 平行線の間にある角度5 これは三角形の内角の和の学習が終わってからの問題です。
「ユークリッドの第5公準は(他の公理からは)証明できない」ことが証明されてしまいました。でも、第5公準が複雑で分かりにくいことには変わりありません。何とかならないでしょうか? これと同じことを、昔の数学者も色々と考えました。その中で、ジョン・プレイフェアという数学者が、第5公準のかわりに次の公理を置いても、ユークリッド幾何学の体系がちゃんと同じように成立することを証明しています。 『ある直線と、その直線上にない点に対し、その点を通って元の直線に平行な直線は1本までしか引けない』 これは「プレイフェアの公理」と呼ばれています。元の「第5公準」よりだいぶ単純で、直観的に分かりやすくなった気がしませんか?
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