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平行へいこう

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』
平行へいこう直線ちょくせん曲線きょくせん

初等しょとう幾何きかがくとくユークリッド幾何きかがくにおける平行へいこうせい(へいこうせい、えい: parallelism)は、ユークリッド平面へいめんうえ直線ちょくせんたがいにまじわらないという関係かんけいせい抽象ちゅうしょうするものである。さん次元じげん空間くうかんにおいて、直線ちょくせん平面へいめん平面へいめん同士どうしについても共有きょうゆうてんがないことを以って平行へいこうせいかんがえることができる。ただし、さん次元じげん空間くうかんない直線ちょくせん同士どうし場合ばあいには、それらがたがいに平行へいこうとなるためにはともめんせい(それらがどういち平面へいめんじょうにあること)を要請ようせいしなければならない(まじわらない直線ちょくせんは、それらがどういち平面へいめんじょうにないならばねじれの位置いちにあるという)。

平行へいこうせんユークリッド原論げんろんにおける平行へいこうせん公準こうじゅんしゅ対象たいしょうである[注釈ちゅうしゃく 1]平行へいこうせい第一義だいいちぎにはアフィン幾何きかがく性質せいしつひとつであり、ユークリッド幾何きかがくはそのたね幾何きかがく特別とくべつ実例じつれいである。その幾何きかがくにおいては、たとえばそうきょく幾何きかがくなどでは、同様どうようの(しかしまったくおなじではない)特定とくてい性質せいしつたすことを「平行へいこう」といいあらわす。

以下いかとく言及げんきゅうのないかぎり、おもにユークリッド幾何きかがくにおける平行へいこうせいについてべる。

歴史れきし

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平面へいめんじょうたがいにまじわらない直線ちょくせんたいとしての平行へいこうせん定義ていぎ原論げんろんだい I まき定義ていぎ 23 にあらわれている[1]古代こだいギリシアじんは、おもに平行へいこうせん公準こうじゅん証明しょうめいしようとこころみるなかで、もっとべつ平行へいこうせん定義ていぎについても議論ぎろんしている。プロクルス等距離とうきょり直線ちょくせんとしての平行へいこうせん定義ていぎポセイドニオスするとし、おな脈絡みゃくらくにおいてゲミノス引用いんようしている。シンプリキオスもポセイドニオスの定義ていぎ言及げんきゅうし、アガニスによるその修正しゅうせいについてもべている[1]

19世紀せいきわりごろ、イングランドにおいて『原論げんろん』はいまだ中学校ちゅうがっこうにおける標準ひょうじゅんてき教科書きょうかしょであった。あらたな射影しゃえい幾何きかがくおよびユークリッド幾何きかがく勃興ぼっこうにより、旧来きゅうらいからの幾何きかがくあつかいは変化へんか余儀よぎなくされており、このころいくつかあたらしい幾何きかがく教科書きょうかしょかれている。これら新興しんこう教科書きょうかしょにおける主要しゅよう相違そういてんは—それら新興しんこう教科書きょうかしょあいだでも、またそれらと原論げんろんとのあいだでも—平行へいこうせんあつかいがことなることである[2]。これらの改革かいかくてき教科書きょうかしょ批判ひはんてき人物じんぶつがいないはずはなく、そのうちの一人ひとりとしてチャールズ・ドッジソン(ルイス・キャロルとしてられる)は戯曲ぎきょく Euclid and His Modern Rivals(『ユークリッドとかれ現代げんだいのライバルたち』)をき、それらテキストをろした[3]

初期しょき改革かいかくてき教科書きょうかしょひとつが、ジェームス・ウィルソン・モリス英語えいごばん1868ねん著書ちょしょ Elementary Geometry[4](「初等しょとう幾何きかがく」)である。ウィルソンは自身じしんの「方向ほうこう」(direction) という原始げんし概念がいねん英語えいごばん依拠いきょした平行へいこうせん定義ていぎもとづいていた。ヴィルヘルム・キリング英語えいごばんしたがえば[5]、このかんがかたライプニッツにまでさかのぼれる[6]。ウィルソンは、原始げんし概念がいねんとして未定義みていぎのまま「方向ほうこう」という言葉ことばをほかの定義ていぎもちいており、たとえば6番目ばんめ定義ていぎは「たがいにまじわるふたつの直線ちょくせんはそれぞれことなる方向ほうこうち、それら方向ほうこうはそれらのあいだの「かく」である」のようにべている[7]定義ていぎ 15 において平行へいこうせん以下いかのように導入どうにゅうされる:「おなきをつがひとつのおな直線ちょくせん部分ぶぶんとなっていない直線ちょくせん平行へいこうせんぶ」[8]オーガスタス・ド・モルガンはこの教科書きょうかしょ批評ひひょうして、おもにこの定義ていぎおよびウィルソンが平行へいこうせんかんする内容ないよう証明しょうめいするのにもちいた方法ほうほうもとづいてあやまりであるとだんじた。ドッジソンもまた、ウィルソンによる平行へいこうせんあつかいを非難ひなんするために、かれ戯曲ぎきょくだい部分ぶぶんてている (Act II, Scene VI § 1)。ウィルソンは自身じしん教科書きょうかしょだいさんはん以降いこう、これをあらためている[9]

改革かいかくしゃたちによって提案ていあんされた、平行へいこうせん定義ていぎえとしてもちいられたほか性質せいしつも、おおきくすぐれるものはなかった。おも難点なんてんは、ドッジソンの指摘してきしたように、それらをもちいるためにけい余計よけい公理こうり追加ついかする必要ひつようがあったことである。ポセイドニウスの等距離とうきょり直線ちょくせんとしての定義ていぎは、Francis Cuthbertson が1874ねん著書ちょしょ Euclidean Geometry解説かいせつしたように、直線ちょくせん片側かたがわあたえられた一定いってい距離きょり位置いちするてん全体ぜんたい直線ちょくせんすことをしめさなければならないという問題もんだいからのがれられない。これは証明しょうめいできることではなく、それがしんであるというのはあらためて公理こうりとして要請ようせいしなければならないのである[10]横断おうだんせんによる同位どういかく性質せいしつもちいた定義ていぎは W. D. Cooley が1860ねん著書ちょしょ The Elements of Geometry, simplified and explainedもちいたが、この性質せいしつ利用りようするには「ひとつの直線ちょくせん直線ちょくせんたい横断おうだんてきまじわるとき同位どういかく合同ごうどうとなるならば、任意にんい横断おうだんせんにおいてもそうでなければならない」という主張しゅちょう証明しょうめいもとめられ、その正当せいとうにはやはりあらたな公理こうり必要ひつようであった。

平面へいめん幾何きか

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平行へいこう条件じょうけん

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As shown by the tick marks, lines a and b are parallel. This can be proved because the transversal t produces congruent corresponding angles , shown here both to the right of the transversal, one above and adjacent to line a and the other above and adjacent to line b.

ユークリッド空間くうかんうちたがいに平行へいこう直線ちょくせん l, mたいし、以下いか性質せいしつたがいに同値どうちである:

  1. たがいに一様いちよう等距離とうきょり英語えいごばん: 直線ちょくせん m うえてんは、直線ちょくせん l との(最短さいたん距離きょりがどのてんにおいても同一どういつ
  2. 直線ちょくせん m直線ちょくせん lどういち平面へいめんじょうにあるが、l とはまじわらない(ここで、直線ちょくせんとはいずれの方向ほうこうにも無限むげんびているものをうことに注意ちゅうい
  3. 直線ちょくせん m, l がともにどういち平面へいめんじょうにあるだいさん直線ちょくせん横断おうだんせん)とまじわるとき、それらが横断おうだんせんとのまじわりでしょうじる同位どういかくたがいに合同ごうどうである。

これらの性質せいしつたがいに同値どうちであるから、これらのうち任意にんいひとつをユークリッド空間くうかんにおける平行へいこうせん定義ていぎとして採用さいようすることができるが、最初さいしょ最後さいごのものはながさや角度かくどはかったりする操作そうさふくまれ、そのぶんなか性質せいしつよりは複雑ふくざつになっている。そこで、なか性質せいしつをユークリッド空間くうかんにおける平行へいこうせい定義ていぎ採用さいようするのが普通ふつうである[11]。そしてほかのふたつの性質せいしつ平行へいこうせん公理こうりからの帰結きけつということになる。ほかにも、かたむはか操作そうさふくめれば、直線ちょくせんたがいに平行へいこうということをそれらのかたむきがおなじであることによって定義ていぎすることができる。

作図さくず

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上記じょうきさん性質せいしつからはさん種類しゅるいのそれぞれことなる平行へいこうせん作図さくずほうあたえられる[注釈ちゅうしゃく 2]

問題もんだい
てん aとおり、直線ちょくせん l平行へいこう直線ちょくせんくこと
問題: 点 a を通り、直線 l に平行な直線を引くこと
問題もんだい: てん aとおり、直線ちょくせん l平行へいこう直線ちょくせんくこと
作図さくずほう

平行へいこうせんあいだ距離きょり

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ユークリッド平面へいめんない平行へいこうせん等距離とうきょり英語えいごばんだから、平行へいこう直線ちょくせんあいだ距離きょり一意いちいまる。じく平行へいこうでない平行へいこう直線ちょくせん方程式ほうていしき としてこれらに直線ちょくせんあいだ距離きょりは、これら平行へいこうせん共通きょうつう垂線すいせんとの交点こうてんとなるてん位置いち決定けっていし、それらのあいだ距離きょりはかればもとめられる。共通きょうつうかたむきを m としたから、共通きょうつう垂線すいせんかたむきは −1/m であり、もちいる垂線すいせんなんでもよいので、y = −x/mもちいることにすれば、ふたつの交点こうてんもとまる(ただし、この交点こうてん座標ざひょうm = 0 でも有効ゆうこう)から、これらてんあいだ距離きょり られる。

同様どうように、直線ちょくせん一般いっぱんがた方程式ほうていしき あたえたときのそれらのあいだ距離きょりける。

空間くうかん幾何きか

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空間くうかん直線ちょくせん同士どうし場合ばあい
同一どういつさん次元じげん空間くうかんないにある直線ちょくせんたがいにまじわらないとき、それらは平行へいこうとはかぎらない。それらが平行へいこうとなるのは、それらがどういち平面へいめんじょうにある場合ばあいかぎる。そうでないとき、それらはねじれの位置いちにある。
さん次元じげん空間くうかんないそうことなる直線ちょくせん l, m平行へいこうとなるための必要ひつようじゅうふん条件じょうけんは、m うえてん P からはかった l うえもっとちかてんへの距離きょりが、P のとりかたらないことである。これはねじれの位置いちにある場合ばあいには絶対ぜったいりたない。
直線ちょくせん平面へいめん場合ばあい
おなさん次元じげん空間くうかんないにある直線ちょくせん m平面へいめん q で、m平面へいめん q うえにないとき、それらが平行へいこうとなる必要ひつようじゅうふん条件じょうけんは、それらがまじわらないことである。
もちろん、それらが平行へいこうであるための必要ひつようじゅうふん条件じょうけんを、m うえ任意にんいてん P からはかった q うえもっとちかてんへの距離きょりP位置いちのとりかたらないこととべることもできる。
平面へいめん同士どうし場合ばあい
たがいに平行へいこうとなる必要ひつようじゅうふん条件じょうけんがそれらが共有きょうゆうてんたないことである」というどういち平面へいめんじょう平行へいこうせんたいすると同様どうよう事実じじつが、どういちさん次元じげん空間くうかんない平行へいこうめんたいしても成立せいりつする。
また、どういちさん次元じげん空間くうかんないそうことなるふたつの平面へいめん q, r平行へいこうとなる必要ひつようじゅうふん条件じょうけんは、平面へいめん q うえてん P から平面へいめん r うえもっとちかてんはかった距離きょりP位置いちえらかたらないことである。このことは、より高次こうじ空間くうかんないかんがえる場合ばあいには、どういちさん次元じげん空間くうかんないにないふたつの平面へいめんではりたない。

反射はんしゃてき平行へいこうせい

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綜合そうごうてきアフィン幾何きかがくにおいて、直線ちょくせんたがいに平行へいこうであるという関係かんけいは、ユークリッド幾何きかがくにおける用法ようほうからやや修正しゅうせいした基本きほん概念がいねんである。平行へいこうせい対称たいしょうかつ推移すいいてき関係かんけいであることはあきらかであり、それが反射はんしゃてきならば同値どうち関係かんけいさだまる。ふつう、ユークリッド幾何きかがくにおいて直線ちょくせん自分じぶん自身じしん平行へいこうとはかんがえないが、アフィン幾何きかがくにおいては自分じぶん自身じしん平行へいこう(したがって同値どうち関係かんけいす)とかんがえる[12]:192[13]:17 のが便利べんりである。

このたね平行へいこう関係かんけい記述きじゅつするべつ方法ほうほうは、まじわりいちてんでない交線もかんがえることである。すなわち、ふたつの直線ちょくせんたがいに平行へいこうとは、それらのすべてのてん共通きょうつうてんであるか、さもなくば共有きょうゆうてんひとつもないこととする。このことは、アフィン幾何きかがくおよびユークリッド幾何きかがくもちいられるプレイフェアの公理こうりでは、平行へいこう関係かんけい平面へいめんじょう直線ちょくせん全体ぜんたい集合しゅうごうじょう推移すいいてき関係かんけいすという主張しゅちょう同値どうちであるとの注意ちゅういがある[14]:372

ユークリッド幾何きかにおける平行へいこうせい

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ユークリッド幾何きかがくにおいては、直線ちょくせんわりに測地そくちせんたいしてべるのがより一般いっぱんてきで、測地そくちせん意味いみで「直線ちょくせん」のかたりがしばしばもちいられる。測地そくちせんとはすなわちあたえられた幾何きかにおけるてんあいだ最短さいたん経路けいろ意味いみする。楕円だえん幾何きかそうきょく幾何きかでは、うえべたさん性質せいしつたがいに同値どうちではなく、とくながさや角度かくどはか操作そうさふくまないものだけがユークリッド幾何きかにおいても有効ゆうこうである。さん性質せいしつは、このような一般いっぱん幾何きかにおいては、それぞれ等距離とうきょりたも曲線きょくせん (equidistant curves), たがいに平行へいこう測地そくちせん (parallel geodesics), 共通きょうつう垂線すいせん測地そくちせん (geodesics sharing a common perpendicular) ということなる種類しゅるい関係かんけいさだめる。

そうきょく幾何きか

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ユークリッド幾何きかがくにおいてふたつの測地そくちせん直線ちょくせん)はまじわるか平行へいこうしかないが、そうきょく幾何きかがくでは選択肢せんたくしみっつある。すなわち、どういち平面へいめんじょうにあるふたつの測地そくちせんは:

  1. まじわる: その平面へいめんないひとつの共有きょうゆうてんでそれらはまじわる;
  2. 平行へいこう: 平面へいめんないでは交点こうてんたないが、共通きょうつう無限むげんとおてん収束しゅうそくする(無限むげんとおてんまじわる);
  3. ちょう平行へいこう: 極限きょくげんにおいて共通きょうつう無限むげんとおてんたない

文献ぶんけんによっては「ちょう平行へいこう」(ultra parallel) な測地そくちせんは「まじわらない」といういいかたもしばしばもちいられる。「無限むげんとおてんまじわる」測地そくちせん漸近ぜんきんてき平行へいこうせん英語えいごばんともいう。

直線ちょくせん l うえにないてん aとお漸近ぜんきんてき平行へいこうせんふた存在そんざいし、それぞれ lかく方向ほうこうにおける理想りそうてん無限むげんとおてん英語えいごばん対応たいおうしている。このふたつの直線ちょくせんは、lまじわる直線ちょくせんと、lちょう平行へいこう直線ちょくせんとをへだてる境界きょうかいせんになっている。

ちょう平行へいこうせん共通きょうつう垂線すいせんをただひとち(ちょう平行へいこう定理ていり英語えいごばん)、この共通きょうつう垂線すいせん両側りょうがわ発散はっさんする。

楕円だえん幾何きか

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球面きゅうめん幾何きかにおける測地そくちせん大円だいえんであり、大円だいえん球面きゅうめんふたつのひとしい半球はんきゅうめん分割ぶんかつ、またどのふたつの大円だいえんたがいにまじわる。したがって、あたえられた測地そくちせん平行へいこう測地そくちせん存在そんざいせず、すべてまじわる測地そくちせん分類ぶんるいされる。球面きゅうめんじょうたがいに距離きょりたも曲線きょくせん平行へいこう緯線いせん (parallels of latitude) とぶ。たがいに平行へいこう緯線いせんは、球面きゅうめん中心ちゅうしんとお平面へいめん平行へいこう平面へいめんとその球面きゅうめんとのまじわりによって生成せいせいされる。

関連かんれん項目こうもく

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ちゅう

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注釈ちゅうしゃく

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  1. ^ 平行へいこうせん公準こうじゅん直線ちょくせんたがいにまじわる場合ばあいのみ言及げんきゅうしているけれども、それはプレイフェアの公理こうり意味いみでの平行へいこうせん一意いちいせいしめすことが必要ひつよう内容ないようである
  2. ^ さん番目ばんめのみが定木じょうぎとコンパスをもちいた作図さくずであり、ぜんふたつは「無限むげんかい手順てじゅん」をようする無限むげん作図さくずになる

出典しゅってん

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  1. ^ a b Heath 1956, pp. 190–194.
  2. ^ Richards 1988, pp. 161–200, Chap. 4: Euclid and the English Schoolchild..
  3. ^ Carroll, Lewis (2009) [1879], Euclid and His Modern Rivals, Barnes & Noble, ISBN 978-1-4351-2348-9 
  4. ^ Wilson 1868.
  5. ^ Einführung in die Grundlagen der Geometrie, I, p. 5
  6. ^ Heath 1956, p. 194.
  7. ^ Wilson 1868, p. 2.
  8. ^ Wilson 1868, p. 12.
  9. ^ Richards 1988, pp. 180–184.
  10. ^ Heath 1956.
  11. ^ Wylie, Jr. 1964, pp. 92–94.
  12. ^ Coxeter, H. S. M. (1961), Introduction to Geometry, John Wiley & Sons 
  13. ^ Szmielew, Wanda (1983), From Affine to Euclidean Geometry, D. Reidel, ISBN 90-277-1243-3 
  14. ^ Liu, Andy (2011), “Is parallelism an equivalence relation?”, The College Mathematics Journal 42 (5) 

参考さんこう文献ぶんけん

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  • Heath, Thomas L. (1956), The Thirteen Books of Euclid's Elements (2nd ed. [Facsimile. Original publication: Cambridge University Press, 1925] ed.), New York: Dover Publications 
(3 vols.): ISBN 0-486-60088-2 (vol. 1), ISBN 0-486-60089-0 (vol. 2), ISBN 0-486-60090-4 (vol. 3). Heath's authoritative translation plus extensive historical research and detailed commentary throughout the text.
  • Richards, Joan L. (1988), Mathematical Visions: The Pursuit of Geometry in Victorian England, Boston: Academic Press, ISBN 0-12-587445-6 
  • Wilson, James Maurice (1868), Elementary Geometry (1st ed.), London: Macmillan and Co. 
  • Wylie, Jr., C.R. (1964), Foundations of Geometry, McGraw–Hill 

関連かんれん文献ぶんけん

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  • Papadopoulos, Athanase; Théret, Guillaume (2014), La théorie des parallèles de Johann Heinrich Lambert : Présentation, traduction et commentaires, Paris: Collection Sciences dans l'histoire, Librairie Albert Blanchard, ISBN 978-2-85367-266-5 

外部がいぶリンク

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