欧氏几何的公理体系与中国平面几何的历史课件演示(35张)

1899年数学泰斗希尔伯特（Hilbert）出版了他的著作《几何基 础》，并于30多年间不断地修正和精炼，于1930年出了第七版。 《几何基础》一书给出了点、线、面、关联、顺序、合同这些原始 概念的准确定义，为欧几里得几何补充了完整的公理体系。
我国数学界的前辈，将西方数学基础的研究引入中国的先驱，几
中等教育牵动着整个社会，牵动着几乎所有家庭的希望和忧 虑。近一年来，我也参加了一些讨论。在这里仅就几何课本的一 些思考向各位专家和老师做一个汇报。人民教育出版社半个多世 纪以来为我国基础教育的课程建设作出了重大贡献，很多老师都 是这方面的专家，我就班门弄斧了。
（一）几何原本与几何基础
我们都知道，两千多年前，古希腊的数学家欧几里得写了一 本著名的书《原本》。在古往今来的浩瀚书海中，《原本》用各 国文字出版的印数仅次于《圣经》而居世界第二位。我国最早的 中译本是在明朝末年由外国传教士利玛窦与我国科学家徐光启翻 译的，1607年出版，书名定为《几何原本》。此后，我国出版 的各种译本都沿袭了这一名称。
何学与数理逻辑学家，原北京师范大学数学系主任傅种孙教授于 1924年与韩桂丛合作，将《几何基础》第一版的英译本译成中文， 取名《几何原理》。傅种孙教授不但是一位严谨的数学家，也是我 国历史上功不可没的数学教育家，他一生致力于数学基础在我国的 启蒙与普及。在他的主持和影响下，北京师范大学数学系多年来坚 持高标准，严要求，为中学输送了大批优秀的数学教师。
欧氏几何的公理体系 和我国平面几何课本的历史演变
张英伯 2005.12
பைடு நூலகம்
引子
最近一个时期，许多数学家和大学数学教师对中学的课程改 革非常关心。正如大家经常议论的，目前的中等教育，有很多不 尽如人意的地方，比如愈演愈烈的高考竞争引发的应试教育，使 我们的中学学生和中学老师不堪重负。这些现象大多属于社会问 题，单纯靠学术和教学是解决不了的。
的和小于两直角，则这二直线经无限延长后在这一侧相交。
当然，按照现代数学的公理化体系去衡量，《几何原本》的公 理体系不是很完备，比如对点、线、面等原始概念的定义不甚清 晰，关联，顺序，运动，连续性等方面的公理还有待补充，个别 公理欠独立性。一些命题的证明基于公理4的几何直观，即：彼 此能重合的物体是全等的。也就是说，一个平面图形可以不改变 形状和大小从一个位置移动到另一个位置。这实际上是不加定义 默认了平面的刚体运动。后者在现代数学中的严格定义是平面到 自身的保持距离不变的一个映射。
由此可以证明（见《几何基础》第一章第4节定理8）：平面 上的任意一条直线将该平面上其余的点分为两个区域，一个区域 的每一点A和另一区域的每一点B所确定的线段AB内，必含有a 的一个点，而同一个区域的任意两点A和A’所确定的线段AA’内， 不含有直线a的点。有了这个定理，我们才可以定义平面上直线a 的同侧或异侧。我们还可以根据顺序公理的前三条，定义直线a 上的一点O将直线分为两侧：设A、A’、O 和B是一直线a上的四 点，若O不在点A, A’ 之间，称A, A’ 在O的同侧；若O在点A, B之 间，称A, B在O的异侧。称直线上点O同侧的点的集合，为始于O 点的一条射线。
傅先生曾亲自编写了平面几何教科书，于二，三十年代在北京师
大附中讲授，使听他讲课的学生受益匪浅。其中钱学森，段学复， 闵嗣鹤，熊全淹等人在新中国成立后成为数学界，物理学界的栋 梁。
1958年，江泽涵教授的中译本《几何基础》由科学出版社出 版，这是根据第七版的俄译本和1956年第八版的一些补充译成 的。 文革后，征得了江泽涵教授的同意，朱鼎勋教授根据德文 第十二版， 对1958年的中译本进行增补， 修订， 于1987年出 了《几何基础》中译本第二版。 下述引文均出自该版。《几何
在全书的开头列出的5个公设和五个公理如下。 公理适用于数学的各个领域：
等于同量的量彼此相等。 等量加等量，其和相等。 等量减等量，其差相等。 彼此能重合的物体是全等的。 整体大于部分。
公设适用于几何部分：
由任意一点到任意（另）一点可作直线。 一条有限直线可以继续延长。 以任意点为心及任意距离可以画圆。 凡直角都相等。 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
《几何原本》列出了五条公理与五条公设，并在各章的开头 给出了一系列定义，然后根据这些定义，公理和公设推导出了 465个数学命题，（按照目前通行的希思英译本《Euclid’s Elements》13卷计算, 该书的中译本于1990年出版），其系统之 严谨，推理之严密，令人叹为观止。
《几何原本》的内容涉及初等数学的各个领域，包括代数，数 论，平面几何，立体几何，甚至现代极限概念的雏形，但各部分 的表述大都是从图形出发的。第一卷讲直线形，包括点、线、面、 角的概念，三角形，两条直线的平行与垂直，勾股定理等；第二 卷讲代数恒等式，如两项和的平方，黄金分割；第三卷讨论圆、 弦、切线等与圆有关的图形；第四卷是圆的内接和外切三角形， 正方形，内接正多边形（5，10，15边）的作图；第五卷比例论， 取材于欧多克索斯（Eudoxus）的公理法，使之适用于一切可公 度和不可公度的量；第六卷将比例论应用平面图形，研究相似形； 第七八九卷是初等数论，其中给出了辗转相除法，
基础》将公理体系分为下述五类。第一类叫做关联公理，由两点 确定一条直线；一条直线上至少有两个点，至少有三个点不在一 条直线上，等8个公理组成。
第二类叫做顺序公理，由下述四个公理组成。1. 若一点B在 一点A和一点C之间，则A，B和C是一条直线上的不同的三点， 而且B也在C和 A之间。 2. 对于两点A和C，直线AC上恒有一 点 B, 使得B在A和C之间。3. 一条直线的任意三点中，至少有 一点在其它两点之间。4. 设A，B和C是不在同一直线上的三点， 设a是平面ABC的一直线， 但不通过A，B，C这三点中的任一 点，若直线a通过线段AB的一点，则它必定也通过线段AC的一 点，或BC的一点
证明了素数有无穷多；第十卷篇幅最大，占全书的四分之一，主 要讨论无理量，可以看作是现代极限概念的雏形；第十一卷讨论 空间的直线与平面；第十二卷证明了圆面积的比等于直径的平方 比，球体积的比等于直径的立方比，但没有给出比例常数；第十 三卷详细研究了五种正多面体。
欧几里得《几何原本》中的内容已在现代中等教育中分成了若 干部分，分别归入平面几何，代数，三角，立体几何。初中平面 几何的内容主要取材于《几何原本》的前六章，大致可以概括为 点、线、面、角的概念，三角形，两条直线的位置关系（包括平 行，垂直），四边形，圆，相似形，求图形的面积这样几个部分。