平行 へいこう な直線 ちょくせん と曲線 きょくせん
初等 しょとう 幾何 きか 学 がく 、特 とく にユークリッド幾何 きか 学 がく における平行 へいこう 性 せい (へいこうせい、英 えい : parallelism )は、ユークリッド平面 へいめん 上 うえ の直線 ちょくせん が互 たが いに交 まじ わらないという関係 かんけい 性 せい を抽象 ちゅうしょう 化 か するものである。三 さん 次元 じげん 空間 くうかん において、直線 ちょくせん と平面 へいめん や平面 へいめん 同士 どうし についても共有 きょうゆう 点 てん がないことを以って平行 へいこう 性 せい を考 かんが えることができる。ただし、三 さん 次元 じげん 空間 くうかん 内 ない の直線 ちょくせん 同士 どうし の場合 ばあい には、それらが互 たが いに平行 へいこう となるためには共 とも 面 めん 性 せい (それらが同 どう 一 いち 平面 へいめん 上 じょう にあること)を要請 ようせい しなければならない(交 まじ わらない二 に 直線 ちょくせん は、それらが同 どう 一 いち 平面 へいめん 上 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 線 せん はユークリッド原論 げんろん における平行 へいこう 線 せん 公準 こうじゅん の主 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 性 せい は第一義 だいいちぎ にはアフィン幾何 きか 学 がく の性質 せいしつ の一 ひと つであり、ユークリッド幾何 きか 学 がく はその種 たね の幾何 きか 学 がく の特別 とくべつ な実例 じつれい である。その他 た の幾何 きか 学 がく においては、例 たと えば双 そう 曲 きょく 幾何 きか 学 がく などでは、同様 どうよう の(しかしまったく同 おな じではない)特定 とくてい の性質 せいしつ を満 み たすことを「平行 へいこう 」とい表 いあらわ す。
以下 いか 、特 とく に言及 げんきゅう のない限 かぎ り、主 おも にユークリッド幾何 きか 学 がく における平行 へいこう 性 せい について述 の べる。
平面 へいめん 上 じょう の互 たが いに交 まじ わらない直線 ちょくせん の対 たい としての平行 へいこう 線 せん の定義 ていぎ は『原論 げんろん 』 第 だい I 巻 まき の定義 ていぎ 23 に現 あらわ れている。古代 こだい ギリシア人 じん は、おもに平行 へいこう 線 せん 公準 こうじゅん を証明 しょうめい しようと試 こころ みる中 なか で、もっと別 べつ の平行 へいこう 線 せん の定義 ていぎ についても議論 ぎろん している。プロクルス は等距離 とうきょり 直線 ちょくせん としての平行 へいこう 線 せん の定義 ていぎ はポセイドニオス に帰 き するとし、同 おな じ脈絡 みゃくらく においてゲミノス を引用 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 に言及 げんきゅう し、アガニスによるその修正 しゅうせい についても述 の べている。
19世紀 せいき の終 お 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 的 てき な教科書 きょうかしょ であった。新 あら たな射影 しゃえい 幾何 きか 学 がく および非 ひ ユークリッド幾何 きか 学 がく の勃興 ぼっこう により、旧来 きゅうらい からの幾何 きか 学 がく の取 と り扱 あつか いは変化 へんか を余儀 よぎ なくされており、このころいくつか新 あたら しい幾何 きか 学 がく の教科書 きょうかしょ が書 か かれている。これら新興 しんこう の教科書 きょうかしょ における主要 しゅよう な相違 そうい 点 てん は—それら新興 しんこう 教科書 きょうかしょ の間 あいだ でも、またそれらと原論 げんろん との間 あいだ でも—平行 へいこう 線 せん の取 と り扱 あつか いが異 こと なることである[ 2] 。これらの改革 かいかく 的 てき な教科書 きょうかしょ に批判 ひはん 的 てき な人物 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 として知 し られる)は戯曲 ぎきょく Euclid and His Modern Rivals (『ユークリッドと彼 かれ の現代 げんだい のライバルたち』)を書 か き、それらテキストを扱 こ き下 お ろした[ 3]
初期 しょき の改革 かいかく 的 てき 教科書 きょうかしょ の一 ひと つが、ジェームス・ウィルソン・モリス (英語 えいご 版 ばん ) の1868年 ねん の著書 ちょしょ Elementary Geometry (「初等 しょとう 幾何 きか 学 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 版 ばん ) に依拠 いきょ した平行 へいこう 線 せん の定義 ていぎ に基 もと づいていた。ヴィルヘルム・キリング (英語 えいご 版 ばん ) に従 したが えば[ 5] 、この考 かんが え方 かた はライプニッツ にまで遡 さかのぼ れる。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 で用 もち いており、例 たと えば6番目 ばんめ の定義 ていぎ は「互 たが いに交 まじ わる二 ふた つの直線 ちょくせん はそれぞれ異 こと なる方向 ほうこう を持 も ち、それら方向 ほうこう の差 さ はそれらの間 あいだ の「角 かく 」である」のように述 の べている。定義 ていぎ 15 において平行 へいこう 線 せん は以下 いか のように導入 どうにゅう される:「同 おな じ向 む きを持 も つが一 ひと つの同 おな じ直線 ちょくせん の部分 ぶぶん となっていない直線 ちょくせん を平行 へいこう 線 せん と呼 よ ぶ」。オーガスタス・ド・モルガン はこの教科書 きょうかしょ を批評 ひひょう して、主 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 線 せん に関 かん する内容 ないよう を証明 しょうめい するのに用 もち いた方法 ほうほう に基 もと づいて誤 あやま りであると断 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 線 せん の取 と り扱 あつか いを非難 ひなん するために、彼 かれ の戯曲 ぎきょく の大 だい 部分 ぶぶん を当 あ てている (Act II, Scene VI § 1)。ウィルソンは自身 じしん の教科書 きょうかしょ の第 だい 三 さん 版 はん 以降 いこう 、これを改 あらた めている。
他 た の改革 かいかく 者 しゃ たちによって提案 ていあん された、平行 へいこう 線 せん の定義 ていぎ の置 お き換 か えとして用 もち いられた他 ほか の性質 せいしつ も、大 おお きく優 すぐ れるものはなかった。主 おも な難点 なんてん は、ドッジソンの指摘 してき したように、それらを用 もち いるために系 けい に余計 よけい な公理 こうり を追加 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年 ねん の著書 ちょしょ Euclidean Geometry で解説 かいせつ したように、直線 ちょくせん の片側 かたがわ に与 あた えられた一定 いってい の距離 きょり に位置 いち する点 てん の全体 ぜんたい が直線 ちょくせん を成 な すことを示 しめ さなければならないという問題 もんだい から逃 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、それが真 しん であるというのは改 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。横断 おうだん 線 せん による同位 どうい 角 かく の性質 せいしつ を用 もち いた定義 ていぎ は W. D. Cooley が1860年 ねん の著書 ちょしょ The Elements of Geometry, simplified and explained で用 もち いたが、この性質 せいしつ を利用 りよう するには「一 ひと つの直線 ちょくせん が直線 ちょくせん の対 たい に横断 おうだん 的 てき に交 まじ わるとき同位 どうい 角 かく が合同 ごうどう となるならば、任意 にんい の横断 おうだん 線 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 の証明 しょうめい が求 もと められ、その正当 せいとう 化 か にはやはり新 あら たな公理 こうり が必要 ひつよう であった。
As shown by the tick marks, lines a and b are parallel. This can be proved because the transversal t produces congruent corresponding angles
θ しーた
{\displaystyle \theta }
, 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 内 うち の互 たが いに平行 へいこう な直線 ちょくせん l, m に対 たい し、以下 いか の性質 せいしつ は互 たが いに同値 どうち である:
互 たが いに一様 いちよう 等距離 とうきょり (英語 えいご 版 ばん ) : 直線 ちょくせん m 上 うえ の点 てん は、直線 ちょくせん l との(最短 さいたん )距離 きょり がどの点 てん においても同一 どういつ の値 ね を持 も つ
直線 ちょくせん m は直線 ちょくせん l と同 どう 一 いち 平面 へいめん 上 じょう にあるが、l とは交 まじ わらない(ここで、直線 ちょくせん とは何 いず れの方向 ほうこう にも無限 むげん に伸 の びているものを言 い うことに注意 ちゅうい )
二 に 直線 ちょくせん m, l がともに同 どう 一 いち 平面 へいめん 上 じょう にある第 だい 三 さん の直線 ちょくせん (横断 おうだん 線 せん )と交 まじ わるとき、それらが横断 おうだん 線 せん との交 まじ わりで生 しょう じる同位 どうい 角 かく が互 たが いに合同 ごうどう である。
これらの性質 せいしつ は互 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 の一 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 線 せん の定義 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 と最後 さいご のものは長 なが さや角度 かくど を測 はか ったりする操作 そうさ が含 ふく まれ、そのぶん真 ま ん中 なか の性質 せいしつ よりは複雑 ふくざつ になっている。そこで、真 ま ん中 なか の性質 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 性 せい の定義 ていぎ に採用 さいよう するのが普通 ふつう である。そしてほかのふたつの性質 せいしつ は平行 へいこう 線 せん の公理 こうり からの帰結 きけつ ということになる。ほかにも、傾 かたむ き を測 はか る操作 そうさ を含 ふく めれば、直線 ちょくせん が互 たが いに平行 へいこう ということをそれらの傾 かたむ きが同 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。
上記 じょうき の三 さん 性質 せいしつ からは三 さん 種類 しゅるい のそれぞれ異 こと なる平行 へいこう 線 せん の作図 さくず 法 ほう が与 あた えられる[ 注釈 ちゅうしゃく 2]
問題 もんだい
点 てん a を通 とお り、直線 ちょくせん l に平行 へいこう な直線 ちょくせん を引 ひ くこと
問題 もんだい : 点 てん a を通 とお り、直線 ちょくせん l に平行 へいこう な直線 ちょくせん を引 ひ くこと
作図 さくず 法 ほう
1: 直線 ちょくせん m は直線 ちょくせん l に対 たい する距離 きょり が至 いた る所 ところ 同 おな じ
2: a を通 とお る任意 にんい の直線 ちょくせん が l と x において交 まじ わるとき、x を無限 むげん 遠 とお へ動 うご かす
3: a を通 とお る l, m に共通 きょうつう の横断 おうだん 線 せん が、両者 りょうしゃ と直角 ちょっかく に交 まじ わる
ユークリッド平面 へいめん 内 ない の平行 へいこう 線 せん は等距離 とうきょり (英語 えいご 版 ばん ) だから、平行 へいこう な二 に 直線 ちょくせん 間 あいだ の距離 きょり は一意 いちい に決 き まる。軸 じく に平行 へいこう でない平行 へいこう 二 に 直線 ちょくせん の方程式 ほうていしき を
{
y
=
m
x
+
b
1
y
=
m
x
+
b
2
{\displaystyle {\begin{cases}y=mx+b_{1}\\y=mx+b_{2}\end{cases}}}
としてこれらに直線 ちょくせん の間 あいだ の距離 きょり は、これら平行 へいこう 線 せん の共通 きょうつう 垂線 すいせん との交点 こうてん となる二 に 点 てん の位置 いち を決定 けってい し、それらの間 あいだ の距離 きょり を測 はか れば求 もと められる。共通 きょうつう の傾 かたむ きを m としたから、共通 きょうつう 垂線 すいせん の傾 かたむ きは −1/m であり、用 もち いる垂線 すいせん は何 なん でもよいので、y = −x /m を用 もち いることにすれば、二 ふた つの交点 こうてん は
(
x
i
,
y
i
)
=
(
−
b
i
m
m
2
+
1
,
b
i
m
2
+
1
)
(
i
=
1
,
2
)
{\textstyle (x_{i},y_{i})=({\frac {-b_{i}m}{m^{2}+1}},{\frac {b_{i}}{m^{2}+1}})\quad (i=1,2)}
と求 もと まる(ただし、この交点 こうてん の座標 ざひょう は m = 0 でも有効 ゆうこう )から、これら二 に 点 てん 間 あいだ の距離 きょり
d
=
(
b
1
m
−
b
2
m
m
2
+
1
)
2
+
(
b
2
−
b
1
m
2
+
1
)
2
=
|
b
2
−
b
1
|
m
2
+
1
{\displaystyle d={\sqrt {\left({\frac {b_{1}m-b_{2}m}{m^{2}+1}}\right)^{2}+\left({\frac {b_{2}-b_{1}}{m^{2}+1}}\right)^{2}}}={\frac {|b_{2}-b_{1}|}{\sqrt {m^{2}+1}}}}
が得 え られる。
同様 どうよう に、直線 ちょくせん を一般 いっぱん 形 がた の方程式 ほうていしき
{
a
x
+
b
y
+
c
1
=
0
a
x
+
b
y
+
c
2
=
0
{\displaystyle {\begin{cases}ax+by+c_{1}=0\\ax+by+c_{2}=0\end{cases}}}
で与 あた えたときのそれらの間 あいだ の距離 きょり は
d
=
|
c
2
−
c
1
|
a
2
+
b
2
{\displaystyle d={\frac {|c_{2}-c_{1}|}{\sqrt {a^{2}+b^{2}}}}}
と書 か ける。
空間 くうかん 直線 ちょくせん 同士 どうし の場合 ばあい
同一 どういつ の三 さん 次元 じげん 空間 くうかん 内 ない にある二 に 直線 ちょくせん が互 たが いに交 まじ わらないとき、それらは平行 へいこう とは限 かぎ らない。それらが平行 へいこう となるのは、それらが同 どう 一 いち 平面 へいめん 上 じょう にある場合 ばあい に限 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。
三 さん 次元 じげん 空間 くうかん 内 ない の相 そう 異 こと なる直線 ちょくせん l, m が平行 へいこう となるための必要 ひつよう 十 じゅう 分 ふん 条件 じょうけん は、m 上 うえ の点 てん P から測 はか った l 上 うえ の最 もっと も近 ちか い点 てん への距離 きょり が、P のとり方 かた に依 よ 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 に成 な りたない。
直線 ちょくせん と平面 へいめん の場合 ばあい
同 おな じ三 さん 次元 じげん 空間 くうかん 内 ない にある直線 ちょくせん m と平面 へいめん q で、m が平面 へいめん q 上 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 十 じゅう 分 ふん 条件 じょうけん は、それらが交 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 十 じゅう 分 ふん 条件 じょうけん を、m 上 うえ の任意 にんい の点 てん P から測 はか った q 上 うえ の最 もっと も近 ちか い点 てん への距離 きょり が P の位置 いち のとり方 かた に依 よ らないことと述 の べることもできる。
平面 へいめん 同士 どうし の場合 ばあい
「互 たが いに平行 へいこう となる必要 ひつよう 十 じゅう 分 ふん 条件 じょうけん がそれらが共有 きょうゆう 点 てん を持 も たないことである」という同 どう 一 いち 平面 へいめん 上 じょう の平行 へいこう 線 せん に対 たい すると同様 どうよう の事実 じじつ が、同 どう 一 いち 三 さん 次元 じげん 空間 くうかん 内 ない の平行 へいこう 面 めん に対 たい しても成立 せいりつ する。
また、同 どう 一 いち 三 さん 次元 じげん 空間 くうかん 内 ない の相 そう 異 こと なる二 ふた つの平面 へいめん q, r が平行 へいこう となる必要 ひつよう 十 じゅう 分 ふん 条件 じょうけん は、平面 へいめん q 上 うえ の点 てん P から平面 へいめん r 上 うえ の最 もっと も近 ちか い点 てん へ測 はか った距離 きょり が P の位置 いち の選 えら び方 かた に依 よ らないことである。このことは、より高次 こうじ の空間 くうかん 内 ない で考 かんが える場合 ばあい には、同 どう 一 いち 三 さん 次元 じげん 空間 くうかん 内 ない にない二 ふた つの平面 へいめん では成 な りたない。
綜合 そうごう 的 てき アフィン幾何 きか 学 がく において、直線 ちょくせん が互 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 学 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 性 せい が対称 たいしょう かつ推移 すいい 的 てき な関係 かんけい であることは明 あき らかであり、それが反射 はんしゃ 的 てき ならば同値 どうち 関係 かんけい が定 さだ まる。ふつう、ユークリッド幾何 きか 学 がく において直線 ちょくせん は自分 じぶん 自身 じしん と平行 へいこう とは考 かんが えないが、アフィン幾何 きか 学 がく においては自分 じぶん 自身 じしん と平行 へいこう (したがって同値 どうち 関係 かんけい を成 な す)と考 かんが える[ 12] :192 [ 13] :17 のが便利 べんり である。
この種 たね の平行 へいこう 関係 かんけい を記述 きじゅつ する別 べつ の方法 ほうほう は、交 まじ わり が一 いち 点 てん でない交線も考 かんが えることである。すなわち、二 ふた つの直線 ちょくせん が互 たが いに平行 へいこう とは、それらの全 すべ ての点 てん が共通 きょうつう 点 てん であるか、さもなくば共有 きょうゆう 点 てん が一 ひと つもないこととする。このことは、アフィン幾何 きか 学 がく およびユークリッド幾何 きか 学 がく で用 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 が平面 へいめん 上 じょう の直線 ちょくせん 全体 ぜんたい の成 な す集合 しゅうごう 上 じょう の推移 すいい 的 てき 関係 かんけい を成 な すという主張 しゅちょう に同値 どうち であるとの注意 ちゅうい がある[ 14] :372
非 ひ ユークリッド幾何 きか 学 がく においては、直線 ちょくせん の代 か わりに測地 そくち 線 せん に対 たい して述 の べるのがより一般 いっぱん 的 てき で、測地 そくち 線 せん の意味 いみ で「直線 ちょくせん 」の語 かたり がしばしば用 もち いられる。測地 そくち 線 せん とはすなわち与 あた えられた幾何 きか における二 に 点 てん 間 あいだ の最短 さいたん 経路 けいろ を意味 いみ する。楕円 だえん 幾何 きか や双 そう 曲 きょく 幾何 きか では、上 うえ で述 の べた三 さん 性質 せいしつ は互 たが いに同値 どうち ではなく、特 とく に長 なが さや角度 かくど を測 はか る操作 そうさ を含 ふく まないものだけが非 ひ ユークリッド幾何 きか においても有効 ゆうこう である。三 さん 性質 せいしつ は、このような一般 いっぱん の幾何 きか においては、それぞれ等距離 とうきょり を保 たも つ曲線 きょくせん (equidistant curves ), 互 たが いに平行 へいこう な測地 そくち 線 せん (parallel geodesics ), 共通 きょうつう 垂線 すいせん を持 も つ測地 そくち 線 せん (geodesics sharing a common perpendicular ) という異 こと なる種類 しゅるい の関係 かんけい を定 さだ める。
ユークリッド幾何 きか 学 がく において二 ふた つの測地 そくち 線 せん (直線 ちょくせん )は交 まじ わるか平行 へいこう の二 に 択 よ しかないが、双 そう 曲 きょく 幾何 きか 学 がく では選択肢 せんたくし は三 みっ つある。すなわち、同 どう 一 いち 平面 へいめん 上 じょう にある二 ふた つの測地 そくち 線 せん は:
交 まじ わる : その平面 へいめん 内 ない の一 ひと つの共有 きょうゆう 点 てん でそれらは交 まじ わる;
平行 へいこう : 平面 へいめん 内 ない では交点 こうてん を持 も たないが、共通 きょうつう の無限 むげん 遠 とお 点 てん に収束 しゅうそく する(無限 むげん 遠 とお 点 てん で交 まじ わる);
超 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 の無限 むげん 遠 とお 点 てん を持 も たない
文献 ぶんけん によっては「超 ちょう 平行 へいこう 」(ultra parallel ) な測地 そくち 線 せん は「交 まじ わらない」というい方 いかた もしばしば用 もち いられる。「無限 むげん 遠 とお 点 てん で交 まじ わる」測地 そくち 線 せん は漸近 ぜんきん 的 てき 平行 へいこう 線 せん (英語 えいご 版 ばん ) ともいう。
直線 ちょくせん l 上 うえ にない点 てん a を通 とお る漸近 ぜんきん 的 てき 平行 へいこう 線 せん は二 ふた つ存在 そんざい し、それぞれ l の各 かく 方向 ほうこう における理想 りそう 点 てん (無限 むげん 遠 とお 点 てん )(英語 えいご 版 ばん ) に対応 たいおう している。この二 ふた つの直線 ちょくせん は、l に交 まじ わる直線 ちょくせん と、l に超 ちょう 平行 へいこう な直線 ちょくせん とを隔 へだ てる境界 きょうかい 線 せん になっている。
超 ちょう 平行 へいこう 線 せん は共通 きょうつう 垂線 すいせん をただ一 ひと つ持 も ち(超 ちょう 平行 へいこう 定理 ていり (英語 えいご 版 ばん ) )、この共通 きょうつう 垂線 すいせん の両側 りょうがわ で発散 はっさん する。
球面 きゅうめん 幾何 きか における測地 そくち 線 せん は大円 だいえん であり、大円 だいえん は球面 きゅうめん を二 ふた つの等 ひと しい半球 はんきゅう 面 めん に分割 ぶんかつ 、またどの二 ふた つの大円 だいえん も互 たが いに交 まじ わる。したがって、与 あた えられた測地 そくち 線 せん に平行 へいこう は測地 そくち 線 せん は存在 そんざい せず、すべて交 まじ わる測地 そくち 線 せん に分類 ぶんるい される。球面 きゅうめん 上 じょう の互 たが いに距離 きょり を保 たも つ曲線 きょくせん を平行 へいこう 緯線 いせん (parallels of latitude ) と呼 よ ぶ。互 たが いに平行 へいこう な緯線 いせん は、球面 きゅうめん の中心 ちゅうしん を通 とお る平面 へいめん に平行 へいこう な平面 へいめん とその球面 きゅうめん との交 まじ わりによって生成 せいせい される。
^ 平行 へいこう 線 せん 公準 こうじゅん は直線 ちょくせん が互 たが いに交 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 の意味 いみ での平行 へいこう 線 せん の一意 いちい 性 せい を示 しめ すことが必要 ひつよう な内容 ないよう である
^ 三 さん 番目 ばんめ のみが定木 じょうぎ とコンパスを用 もち いた作図 さくず であり、前 ぜん 二 ふた つは「無限 むげん 回 かい の手順 てじゅん 」を要 よう する無限 むげん 作図 さくず になる
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