5.第五公设

同平面内,一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角和小于两个直角的和,则这二直线(经无限延长后)在这一侧相交。

这个公设直接说的是,在何种情况下,两直线会相交。但并直接没有说,在何种情况下,两直线不相交。

而它的逆反命题是与之等价的,逆反命题是:
在同平面内,一条直线和另外两直线相交,若二直线在这一侧不相交,那么,这一侧的两个内角和大于或等于两个直角。

同样,只说了一侧不相交的情况,并没有提到“平行”。

平行线的存在性,是由外角定理决定的。

内错角可以看做“一个三角形的外角”,内错角相等的时候,没有办法构成三角形。假如内错角相等,依然构成三角形,那么,立刻得到的结论是:三角形的一个外角等于它的内对角。这同外角定理矛盾。

因此,内错角相等,在第一直线的两侧都不能构成三角形。也就是在两侧都不相交。那么,两直线是平行的。

外角定理蕴含“内错角相等,两直线平行”的命题。
也就蕴含“同旁内角互补,两直线平行”的命题。

那么,同旁内角不互补,情况会怎样?外角定理没有指出。而第五公设则专门指出,同旁内角不互补,必然有一侧的和小于两个直角,直线会在这一侧相交。

“不互补,就相交”是“互补,不相交”的否命题。否命题不是原命题的等价命题,并非总是成立。

“平行,则互补”是“互补,则平行”的逆命题。逆命题也并非等价命题,并非总成立。

第五公设,就是专门针对外角定理的逆命题来说,或者说是针对外角定理的否命题来说。不等同于外角定理。

最关键的,第五公设是不可证明的。

可以用其它命题代替,或者说“等价”,但不可证明,也不可却或。

用来代替第五公设的命题是平行公理,“经过直线外一点,最多可作一直线平行于已知直线。”

有时会用到外角定理的推论,把两者合并起来说,“经过直线外一点,有且仅有一条直线平行于已知直线。”这样的说法叫做Playfair公理。

总之,第五公设/平行公理/Playfair公理最厉害的地方不在于指出“过直线外一点,平行线是存在的”,指出“存在性”的是外角定理。

第五公设/平行公理/Playfiar公理最厉害的地方在于,规定,“过直线外一点,平行于已知直线的线,不多于一条。”

过直线外一点,作直线平行于已知直线。

这种直线
既存在,又不多于一。那么,就只能是:“有且仅有一条”。

因为是公设,所以,第五公设不需要证明。

公设和公理的含义一样,表示最直观的事实,是不需要证明的,同时也是无法证明的。

除了平行公理、Playfair公理以外,
第五公设有还有许多等价命题。历史上,许多试图证明第五公设的尝试,都有意或无意的使用了它们。包括:

  • 勾股定理
  • 三角形内角和定理(辅以阿基米德公理)
  • 圆内接正六边形边长等于半径长
  • 撒氏四边形的上底等于下底
  • 三角形的中位线等于底边的一半
  • 存在相似但不全等的三角形
  • 存在四个角都是直角的四边形
  • 可对任意三角形作外接圆
  • 过角内一点,总能作直线与角的两边都相交
  • 每个三角形的内角和都相同

等等。

既然有如此多的命题等价于第五公设,就表明了,在欧氏几何中,第五公设是不可缺的。

用三个字概括第五公设,可以叫作“小则交”。这个公设的地位非同一般。在实际证明其它问题的时候,当然可以直接使用。欧氏几何,广泛使用平行线的性质。

第五公设是神奇的。由于历史上人们对第五公设的研究,导致了新的几何学诞生。

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