- •Основи математики
- •1 Теоретичні питання основ математики
- •Тема 1. Загальні питання аксіоматики
- •1. Предмет основ геометрії. Історична довідка. Суть аксіоматичного методу.
- •2. Поняття математичної структури, аксіоматичної теорії математичної структури, ізоморфізму математичних структур. Поняття моделі (інтерпретації) системи аксіом.
- •3. Вимоги до системи аксіом.
- •4. Огляд системи аксіом Вейля. Доведення несуперечливості системи аксіом Вейля евклідової геометрії.
- •5. Доведення повноти системи Вейля.
- •Тема 2. Аксіоматичні теорії натуральних, цілих і раціональних чисел.
- •2. Аксіоматичне означення цілих чисел. Множина цілих чисел як розширення множини натуральних чисел.
- •3. Аксіоматичне означення раціональних чисел. Множина раціональних чисел як розширення множини цілих чисел.
- •4. Означення перерізу на множині раціональних чисел. Приклади перерізів.
- •Тема 3. Огляд і порівняння різних аксіоматичних теорій дійсних чисел.
- •1. Огляд побудов теорії дійсного числа.
- •2. Побудова теорії дійсного числа за Дедекіндом.
- •3. Роль аксіоми неперервності в побудові математичного аналізу.
- •Тема 4. Сучасні аксіоматичні теорії евклідової геометрії.
- •1. Побудова аксіоматичної теорії Вейля.
- •2. Побудова евклідової геометрії на базі системи аксіом Гільберта.
- •3. Доведення несуперечливості системи аксіом Гільберта. Арифметична модель.
- •Тема 5. Геометрія Лобачевського
- •1. Відкриття Лобачевського. Неевклідова геометрія.
- •2. Аксіоматична теорія геометрії Лобачевського.
- •3. Дослідження системи аксіом планіметрії Лобачевського. Інтерпретації Пуанкаре.
- •Тема 6. Інші неевклідові геометрії.
- •1. Елементи сферичної геометрії. Точки і прямі в сферичній геометрії. Відстань між точками і кут між прямими.
- •2. Сферичні двокутники та трикутники. Сферичний надлишок. Сферична тригонометрія.
- •3. Аксіоматична теорія псевдоевклідової геометрії. Класифікація прямих і площин псевдоевклідового простору. Основні координатні формули.
- •4. Сфери псевдоевклідового простору. Сферична тригонометрія.
- •5. Інтерпретація планіметрії Лобачевського на сфері уявного радіусу псевдоевклідового простору. Евклідова геометрія як граничний випадок геометрії Лобачевського
- •2 Зміст практичних занять
- •Тема 1: Загальні питання аксіоматики. Вимоги до системи аксіом.
- •Тема 2: Аксіоматичні теорії натуральних, цілих, раціональних та дійсних чисел
- •Тема 3: Системи аксіом евклідової геометрії. Еквівалентність систем аксіом Вейля та Гільберта
- •Задачі для самостійного розв’язання
- •Тема 4: Наслідки з аксіом перших трьох груп аксіоматики Гільберта. Співвідношення між кутами і сторонами трикутника. Логічний аналіз математичних тверджень.
- •Тема 5: Абсолютна геометрія. Доведення тверджень абсолютної геометрії про суму кутів трикутника. Еквіваленти аксіом неперервності. Чотирикутник Саккері
- •Задачі для самостійного розв’язання
- •Тема 6: Наслідки з аксіоми паралельності. Еквіваленти п’ятого постулату.
- •Задачі для самостійного розв’язання
- •Тема 7: Планіметрія Лобачевського.
- •Задачі для самостійного розв’язання.
- •3 Зміст самостійної роботи
- •1. Континуум-гіпотеза
- •2. Підготуватися до обговорення статі «Редукция аксиом линейного пространства» [19]. Дати відповіді на такі запитання:
- •4. Площі та об’єми. Третя проблема Гільберта.
- •5. Розбити наступні теореми на три групи: теореми абсолютної геометрії, наслідки аксіоми паралельності Евкліда, наслідки аксіоми паралельності Лобачевського.
- •6. Підготувати доповідь за темою:
- •7. Впорядкованість на множині дійсних чисел
- •8. Ознайомитись із доведенням незалежності аксіоми індукції системи аксіом множини натуральних чисел [14].
- •9. Побудувати ізоморфне відображення моделі Пуанкаре геометрії Лобачевського на евклідовій півплощині на модель геометрії Лобачевського в одиничному крузі. Індивідуальне завдання
- •1. Користуючись системою аксіом Вейля планіметрії Евкліда довести, що:
- •2. Довести, що п'ятий постулат Евкліда еквівалентний твердженню
- •3. Довести справедливість тверджень в геометрії Лобачевского
- •Підсумковий тест
- •Література
- •Питання до заліку
- •II. Аксіоми порядку
- •III. Аксіоми конгруентності
- •2. Аксіоми порядку:
- •3. Аксіоми руху:
- •4. Аксіома неперервності:
- •5. Аксіома паралельності:
- •2. Аксіоми множення.
- •Основи математики
4. Огляд системи аксіом Вейля. Доведення несуперечливості системи аксіом Вейля евклідової геометрії.
В 1918 році німецьким математиком Г.Вейлем була запропонована точково-векторна аксіоматика евклідової геометрії (Додаток А).
Основними об’єктами системи аксіом Вейля є «точка» та «вектор». Основними відношеннями є «додавання векторів», «множення вектора на число», «скалярний добуток векторів», «відкладання вектора від точки». Аксіоматика Вейля складається з п’яти груп аксіом. Аксіоми перших трьох груп складають аксіоматику векторного простору, перших чотирьох груп – аксіоматику векторного евклідового простору, всю систему аксіом називають ще системою аксіом евклідового точково-векторного простору.
Несуперечливість
системи аксіом Вейля доводиться шляхом
побудови арифметичної
моделі.
В цій моделі «точкою» і «вектором»
називають будь-яку впорядковану трійку
дійсних чисел. При цьому для позначення
точок будемо використовувати круглі
дужки. Наприклад, точкою
є трійка
.
Для позначення векторів використовують
кутові дужки. Наприклад, вектором
є трійка
.
Для
основного відношення першої групи
введемо таке означення: сумою
векторів
та
будемо називати вектор
.
Можна переконатися, що таке означення
для суми векторів забезпечує виконання
аксіом 1.1-1.4.
Множення
дійсного числа
на вектор
(або вектора
на число
)
визначається наступним чином:
.
Так визначена операція задовольняє
всім аксіомам другої групи
В третій
групі основного відношення немає.
Розглянемо набір векторів
,
,
,
він утворює базис тривимірного простору.
Крім цього, для будь-якого вектора
цього простору маємо
,
тобто вектори
,
,
,
лінійно залежні. Аксіома розмірності
виконується.
Скалярним
добутком векторів
та
називається число
.
Перші три аксіоми четвертої групи
перевіряються безпосередньо. Скалярний
квадрат вектора
має вигляд
,
звідки випливає, що
і що
.
Відношення
п’ятої групи визначається так: будь-якій
парі точок
та
відповідає вектор
,
який будемо позначати символом
.
В аксіомі 5.1 задано ненульовий вектор
та
точка
.
Легко переконатись, що точка
задовольняє цю аксіому. Справедливість
аксіоми 5.2 перевіряється безпосередньо.
Отже, можемо зробити висновок: система аксіом Вейля несуперечлива, якщо несуперечлива арифметика дійсних чисел.
5. Доведення повноти системи Вейля.
Позначимо
символом
довільну модель системи аксіом Вейля.
Якщо в цій моделі вектори
утворюють базис, то для будь-якого
вектора
отримаємо розклад
,
де дійсні числа
називаються координатами
в базисі
.
Зафіксуємо точку
.
Будь-яка точка
відносно репера
має координати
,
якщо розклад радіус-вектора
має вигляд
.
Позначимо
символом
арифметичну модель системи аксіом
Вейля. Розглянемо таку відповідність
між моделями
та
.
Точці
поставимо у відповідність впорядковану
трійку
,
вектору
поставимо у відповідність впорядковану
трійку
,
сумі векторів з моделі
поставимо у відповідність суму відповідних
векторам впорядкованих трійок, і так
само між іншими операціями встановимо
відповідність. Очевидно, вказана
відповідність є бієктивною і має
властивість ізоморфізму. Оскільки
ізоморфізм є відношенням еквівалентності,
то доведений ізоморфізм моделей
та
дозволяє зробити висновок про ізоморфізм
будь-якої пари моделей системи аксіом
Вейля. Отже, ця система аксіом повна.
