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¿Cuál es el moderno axiomatization de (Euclidiana) geometría del plano?

He escuchado como anécdota que los Elementos de Euclides fue un insatisfactorio desarrollo de la geometría, porque no era riguroso, y que esto estimuló a otras personas (incluyendo Hilbert) para crear sus propios conjuntos de axiomas.

Tengo dos preguntas:

1) ¿Cuál es el moderno axiomatization de la geometría del plano? Por ejemplo, cuando los matemáticos hablan de un punto, una línea, o un triángulo, ¿qué significa esto formalmente?

Mi conjetura sería que uno podría simplemente poner todo en términos de las coordenadas en R^2, pero luego parece ser difícil de llevar a cabo habitual de semejanza y congruencia de los argumentos. Por ejemplo, la prueba de congruencia SAS sería bastante complicado. Euclides los argumentos de todos "sintético", y parece difícil de llevar a tales argumentos a cabo en un marco analítico.

2) ¿Qué problemas existen con Euclides y sus elementos? ¿Por qué son los axiomas insatisfactorio? ¿De dónde Euclides cometer errores en su razonamiento? He leído que la lógica de las lagunas en los Elementos son tan grandes que uno podría conducir un camión a través de ellos, pero no puedo ver esos huecos en mí mismo.

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Stephan Aßmus Puntos 16

Me puede recomendar un artículo Viejos y Nuevos Resultados en los Fundamentos Elementales del Plano Euclídeo y Geometrías No Euclidianas realizados por Marvin Jay Greenberg, La American Mathematical Monthly, Volumen 117, Número 3, Marzo de 2010, páginas 198-219. Una de las grandes fortalezas del artículo es que estoy en ella. Marvin promueve lo que él llama Aristóteles, el axioma de que las normas de los aviones más arbitrario no Arquimedianos campos sin salir del marco sintético. Si usted enviarme un correo electrónico puedo enviar un archivo pdf.

EDIT: Bien, Marvin ganó un premio por el artículo, que puede ser descargado desde el anuncio de adjudicación página de GREENBERG. La página del premio, por sí mismo, le da una buena respuesta a la pregunta original sobre el estado de Euclides en el mundo moderno.

Tan lejos como libro de longitud, hay la cuarta edición de Marvin, el libro Euclidiana y No Euclidiana Geometrías, también de la Geometría de Euclides y más Allá de Robin Hartshorne. Hartshorne, en particular, toma una aproximación sintética a lo largo, tiene un índice que muestra donde cada proposición de Euclides aparece, y así sucesivamente.

Hilbert del libro está disponible en inglés, Fundamentos de la Geometría. Él diseñó un sistema pero lo dejó a los demás para completar los detalles, en particular, Bachmann y Pejas. El punto más alto de Hilbert es el "campo de los extremos" en la geometría no Euclidiana, en la que un plano hiperbólico da lugar a un pedido de campo $F$ definido exclusivamente por los axiomas, y a su vez el avión es isomorfo a, digamos, un disco de Poincaré modelo o la parte superior de la mitad de modelo de avión en $F^{\; 2}.$ tal vez este será un factor de peso: a partir de Hartshorne,

Recordemos que una final es una clase de equivalencia de la limitación de los rayos paralelos

La adición y la multiplicación de los extremos están definidos completamente por construcciones geométricas; los animales no son dañados y no se utilizan los números. En lo que equivale a una media superior modelo de avión, lo que se convierte en el eje horizontal es isomorfo al campo de los extremos. Esto concuerda con nuestra experiencia en el ordinario de la mitad superior del plano, donde geodesics son líneas verticales o semicírculos con centro en el eje horizontal. En particular, infinitamente muchos geodesics "cumplir" en cualquier punto dado en el eje horizontal.

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Nahom Tijnam Puntos 1789

Sé que este es un viejo Q, pero voy a publicar otra respuesta, de todos modos, espero que alguien encuentra este útil.

Fresco Qs. De todos modos, para el punto 1), creo que no existe "la", como en una sola, axiomatization. Usted menciona los axiomas de Hilbert, que es uno de esos axiomatization, y probablemente el más cercano en el "espíritu" de Euclides. Tarski son los axiomas de la otra, y tienen la interesante propiedad de que todos ellos se pueden hacer en la lógica de primer orden (es decir, sin la teoría de conjuntos), pero son mucho más abstracto – por ejemplo, ni siquiera tenemos un concepto de "línea" como un objeto, todo lo que se hace en términos de puntos. Hilbert del sistema le da puntos, rectas y planos como los bloques de construcción básicos de la geometría. Pero ambos son igual de buenos. También hay Birkhoff de axiomas, que se acercan más a la idea de "hacer de todo con las coordenadas" en la que explícitamente introducir la noción de los números reales en la geometría (mientras que los dos primeros, simplemente, tienen "la continuidad de los axiomas" que, entre otras cosas, asegurarse de que la geometría tiene la misma cantidad de puntos en una línea, ya que hay números reales).

También es cierto que en las modernas matemáticas, el "espacio Euclidiano" se define como $\mathbb{R}^n$, pero esto no es generalmente considerado como un enfoque "axiomático", por lo que no se ajusta a tu pregunta. Más bien, que es la "analítica". En este enfoque, los puntos se definen como tuplas ordenadas de reales, las líneas son conjuntos de tuplas tales satisfacción de las relaciones, y los triángulos son, a continuación, sólo el total de la colección de puntos en las líneas entre los 3 puntos que definen el triángulo. En la "axiomática" o "sintético" enfoque, los puntos y las líneas son considerados como conceptos indefinidos – que no tienen ninguna definición matemática formal, sino que especificar su comportamiento por los axiomas. Euclides no acababa de llegar a este punto (pero claro, esto era antiguo matemáticas que estamos hablando, por lo que las normas y lo que no eran otra) – trató de "definir", como diciendo: "un punto es aquello que no tiene parte", "una línea es breadthless longitud", etc. que no son ellos mismos matemáticamente útil sólo intuitivamente útil – "definiciones". Así que en la moderna axiomatizations, al menos uno de estos conceptos es tomado como primitivo (en los axiomas de Hilbert, como se ha mencionado, los puntos y las líneas son primitivos, en Tarski, sólo hay puntos, y de hecho, desde la teoría de Tarski no implican conjuntos, entonces uno no puede definir una línea por un conjunto de puntos!), sin definición matemática.

El punto 2) es también muy interesante. Hay, de hecho, muchos de los problemas. Uno de esos conjuntos de problemas puede ser visto por la primera proposición de los Elementos. Esta es la construcción de un triángulo equilátero sobre un segmento. Euclides dice, se pueden construir dos círculos, centrado en cada punto del segmento, de un radio igual al segmento dado. Entonces el punto de intersección de los círculos, además de los dos puntos en los extremos del segmento, definir el triángulo, y es equilátero. El problema con su construcción es que no hay suficientes axiomas para justificar todo. Que el segmento de línea y de los círculos de la existencia es, por supuesto, comprobable, pero se mete en problemas cuando se refiere a los puntos de intersección. No hay postulados de Euclides los axiomas de que se ocupan de las intersecciones, excepto por el postulado paralelo! Este es un horrible omisión de su parte – sin duda, la que yo diría que dejaría una brecha lo suficientemente grande como para conducir un camión a través de", ya que desde hace injustificada esencialmente todo su compás y la regla construcciones (al menos, en cualquier tiempo que él necesita para tomar una intersección de líneas y círculos, él no puede!). Otro problema con la prueba, y este se señaló, en todo el camino de vuelta en la antigua Grecia por Zenón de Sidón (no el mismo Zenón de Zenón de las Paradojas de la fama – que fue Zenón de Elea), es que no hay manera de saber que cuando generamos las líneas del segmento de consejos para el círculo punto de intersección, que incluso forman un triángulo equilátero y no cumple "antes de tiempo". Lo que hubiera sido necesario, habría sido un postulado de la singularidad de una línea recta entre dos puntos. Los axiomas de Hilbert frente a estos desafíos: da un axioma que dice que la línea recta entre dos puntos está determinada únicamente por dos puntos dados. Él también da a los "axiomas de continuidad", que garantiza que los círculos y las líneas se cruzan (y su continuidad axiomas son aún más fuertes – que garantiza la existencia de todos los números reales en el plano, cuando sólo se necesita el "surd números" como se les llama a obtener el círculo de las intersecciones de la derecha.).

11voto

sewo Puntos 58

Para la primera pregunta, cuando el plano Euclidiano aparece en la matemática moderna, es casi universalmente en el disfraz de la $\mathbb R^2$ con la "norma Euclídea" $\|(x,y)\|=\sqrt{x^2+y^2}$.

La congruencia tiene una buena representación en términos de isométricos (es decir, longitud-preservación) transformaciones de $\mathbb R^2$, que resultan ser todo lo que puede ser expresado mediante la traducción (además de una constante vector) y ortogonal de transformaciones lineales. Estos conceptos son un poco menos inmediata que la de Euclides intuitiva de movimientos del avión, pero son infinitamente más productivo en términos de la generalización a otros más abstractos que el avión. Debido a estas generalizaciones, se puede utilizar la intuición geométrica acerca de las cosas que hemos de otro modo no tendrían fácil e intuitiva manera de pensar ... de un moderno punto de vista este es un gran triunfo del vector enfoque sintético de la geometría.

De manera similar(!), la similitud puede ser entendida como la combinación de transformaciones isométricas y lineal cambios de escala del plano.

La mayoría de los matemáticos dicen que los beneficios de la generalización superan con creces a los menores molestias técnicas de probar geométricas elementales hechos por algebraica significa. Esto no significa que las clásicas pruebas son completamente abandonado. Un básico fragmento sintético de la geometría sigue siendo relevante como prueba de que todos los días intuición geométrica se aplica a $\mathbb R^2$ a todos.

Para axiomas, ver espacio vectorial y normativa espacio vectorial. (Estos ya son más general que el avión -- para el avión en sí, identificado como $\mathbb R^2$, no necesitamos nuevos axiomas, pero los que definen $\mathbb R$ y las definiciones de las distintas operaciones vectoriales).

3voto

Matt Dawdy Puntos 5479

Por ejemplo, la prueba de congruencia SAS sería bastante complicado.

No entiendo lo que prueba que usted tiene en mente. Deje $p_1, p_1 + v_1, p_1 + v_2$ $p_2, p_2 + u_1, p_2 + u_2$ dos triángulos en el plano (donde $p_i$ son los puntos y $v_i$ son vectores) tal que $|v_i| = |u_i|$ y de tal manera que el ángulo entre el $v_1$ $v_2$ es igual al ángulo entre el$u_1$$u_2$. Queremos mostrar que existe una isometría del plano en el envío de un triángulo a los otros.

Por la traducción (que es claramente una isometría) podemos asumir WLOG que $p_1 = p_2$. Por rotación (una vez más claramente una isometría) podemos asumir WLOG que $v_1 = u_1$. Así el problema se reduce a mostrar que la $v_2$ está determinada únicamente por su longitud y su ángulo de a $u_1$. Pero esto es sólo la afirmación de que las coordenadas polares son únicos (desde el origen), que puede ser comprobada en cualquier número de maneras en este marco, y es una herramienta útil y un hecho importante en su propio derecho.

En cualquier caso, Henning es el correcto:

La mayoría de los matemáticos dicen que los beneficios de la generalización superan con creces a los menores molestias técnicas de probar geométricas elementales hechos por algebraica significa.

2voto

Michael Hardy Puntos 128804

Euclides no tienen el concepto de número real y Hilbert evitado deliberadamente en su sistema de axiomas. Creo que algunos sistemas modernos que son de alguna manera similares a los ("sintético" de la geometría) tomar ese concepto por sentado y seguir desde allí.

Sin embargo, sólo para añadir un elemento a la lista de sistemas: el Huzita–Hatori axiomas, aunque declaró como axiomas acerca de plegado de papel, puede equivaler a un sistema de axiomas de la geometría del plano. El artículo de la Wikipedia dice: "regla y compás geometría resuelve de segundo grado, ecuaciones, mientras que el origami de la geometría, o origametry, puede resolver de tercer grado, ecuaciones, y resolver problemas tales como el ángulo de trisection y la duplicación del cubo."

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