幾何学的性質の集合論的一考察
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(2) . 第5巻 第1号. 北海道学蔓大学紀 要. 9年2月 昭和2. ). 幾何 学的 性質の 集合 論的一 考察 大. 方場. {. 寛. 鷺. 北海道学聾大学岩見沢分校数学教室 ノ. .. , i i i Z ハ ガasah tudy of geome すぎ t ro oB^: A s r it es by s e z eoγy ca1prope .. 緒. ′ 1 ( 1 )”Ub=” .. 声. id 幾何学、 特に l 三次元 Buc. こ れ を α=ろ と 表 わ す。. A伍ne 幾何学の性質、. 例えば三垂線の定理や De rgue s a s の定理を考察するに は、 元来模型を描く直観的な方法をとっていますが、 私. は束の見地に立って、 記号と作用との間に私なりの定義 を襲えて、 其等既明の色々な定理を簡単に証明してみょ. . 2)αnb=A なる時二直線 α (1 , ,b は一点 A で交わ る。 ●αnる=0 なる時二直線 α 1 ( .3) ,ろ は変わらない。 (1 .4)qnろ=o 且つ ・. う と 思 い ま す。. 尚執筆に当り有益な御批判や御指導を賜った北大の桂 の御二 田芳枝助教授、 並びに私と同室の矢野晋平助教授、 人に対しまして、 減に厚く御礼申し上げます。. SI. 記号 と 定 義. 三つの集合族 W S ,筆 に於て 現 の元を A,B ,C; 8 の元を Z;事 の元を P とする時 此等の間には 、 【ョA, a C なる A, β, C に対し (1)2. (2 ) AUBC′ なる ′ が一意的に ′仁ゑ ・. 我々はこのような元 A, β, C を点;Z を直線;P を 平面 と 呼 ぶ こ と にす る。 ber l t の公 而る時、 此等の点、 直線、 平面の間には Hi 理 が 補 さ れ て い る も の と す る。 謀. Hi be l ft の公理系については中 村幸四郎訳ヒルべ. ●. ・. っ て 平 行。. ) PnQ=” なる時二千面 P 〔2 .2 , Q は直線 ” で交わ るo P, Q は変わ らず平行。 0 P ( 3 nQ= なる時二千面 2 ) . こ れを P Q / と表わす / 。. こ れ を Pコα と表わす。 ′ P P 3 なる時直線 ” は平面 P 上に在る。 (. i)αU = こ れ を Pつ” と表わす。. ノ. .. .. (3 .3)αnp. .. 交 わ る。. なる時直線 α と平面 P は変わらず平 ● . 行。 / これを ” /P と表わす。 S2 二平面の交わ り. 直線は α ,み ,c ,ば……, 平面は P, Q, R, s …… で表わ す。 , なる時二直線 α ,ろ は一致する。 ● ろ これを α= と表わす。 ・. く .. (3 )αnPごA なる時直線 α と平面 P は一点 A で .2. 定義 1 集合は相補モヅル束とする。 特 にことわらな い限り点は A, β, C, D ……. 1 ( ,f)αnb;”. .. これを α〃ふ と表わす。 P P P 2 ( ) nQ= なる時二平面 f . ,Q は一致する。 こ もを P=Q と表わす。 ′ (2 i ) PUQ P なる時二千面 P . , Q は一致する。 これを P;Q と表わす。. 記誠. =. ,. ”Uゐ〔P なる時二直線 α ,ろ は平面 P 上に在. ルト幾何学 基礎論を参照のこと。. 定義. ′. (34)αnp;” なる時直線 α は平面 P 上に在る。. (3) AU月UC〔P なる P が-意的に P(筆 な る 関 係 が 在 る も の と す る。. なる時二直線 ” る は一致する。. 定義 狐 (1 ,1) ”ヨ A,”ョB; A n β =0 な る 時. 4つAUB ( 1 ) PヨA,ぞコα なる時 ,2 - 61 -. なる ” は唯一つ存在。 }.
(3) . 大 P コαU A. 場. /α } / 1 3 ) より ” ( 2 } ) ,{ ,( P コαUb で るヨβ 故 Pョβ 一方 QコcUB より Qヲβ 14) によれば 定義 証 ( 従って PnQ=”ヨβ ・ . る=d 嬢 ろョβ, dヨβ り る 〆 よ / / / / α α ; , P / / 3 / 次 に P つ” / c c α なら定理 より ,. な る P は唯一つ存在。. (2 .1) PヨA, Pョβ; A n β≠0 な る 時. ”つ A U B なる ” を考えると Pコ” . る A A P をとり 2 且つ なる 2 ョ (. ) nQコ” .. PnQヨA な る 時 PnQ=”(但し る は α の余集合). 共有するから PコAUB QつAUB. 二点 A, β で決定する直線を ” とすれば 4つAUβ Pコα ) により , 定義 皿(2 , Qコ” となり .1 1 ( ) PnQコα 今 4ヨC なる C をとり PnQヨC とすれば PnQつ4UC. 勿論 cnメニ0 cnp=0 QつcUB より Qコc 一方 PnQ=d よ り Qコd d / 樹より 明る / 6 ) より c ◎,( 故に. 定理 1 二平面の 交わりは唯一つの直線である。 証明 二平面 P, Q が変われば少くとも二点 A,β を. (1 )に よ り. 寛. 将. 定理 5 一直線 α と一平面 P が平行な時、α を含む 二平面 Q,尺 が P と交わる直線を る , ,c とすれば、” る の二つも平行であ cのうち る ど 。 、 , つる 証明 Qコα で PnQ=る より Q. 4nb;4n (PnQ) ; (4np) nQ;onQ;0 尺 コ4. ,. Pコ”UC Q)αUC 故に ・ . p=Q に反する。 之は仮定む ) により 定義 m (i .2 ( 2 ) 故 に αヨC な る C を と る と PnQヨC. で. PnR=c. より. R 〕c. αnc-αn (PnR) = (αnP) 〔R;onR;0 鰯c る で定理4より / / / c 故に / 4 4 4=るnP なる時 々=る 一つの直線 ” に平行な二つ の平面 P, Q の 定理 6 定義 m (2 .3). PnQ-” .と( 1 2 )から 定義 狐 (2 ) による ) .2 、( ・ 交線 る は α と平行 である。 定理 2 二つづつ相交わる三平面 P ,Q,兄 の交線を の た そ 譜 明 るョβ な る β を と る。 ま も る る c とが交われば と c 4 とする時 α , , 、 交 点 を 通 るo 証明. PnQ;” , .QnR=る , Rnp=c 、 と す れば ”nb= A. A=αnb= (PnQ) n (QnR). るを 定理 3 二直線 α ,る が平行な時、 一般に α は 含む平面 P と平行である。 る 故 4nb=0 / / 証明 α , Q)αUb なる Q が存在 故. PnQ=る. 0=αnb=”n (PnQ) =Pn (αnQ) ;Pnq 4〆P ) により 定義 江(3 . ,3 ● 定議 m ・ ・ (- .3)4〃る の時 pコαUb なる平面 p は唯一っ存在。 る / / c なる時 る=c / / (1 ,α ,4)ゐncョB で α ◆ 行な直線は 唯一つ 即ち一点を通り一直線に平 定理 4 直線 ” に平行な二直 線 わ とcは互に平行。 白 証明 α ,c が同時に同一平面上に在る時 は 明 。 ,る. . 4, 亥 c が同時に同一平面上にない時 α〆る 故 P)αUb なる平面 P を考えると Pコα. ( 1 }. 今 ろヨβ なる β をとり QコcUB なる平面 Q を考え PnQ=〆. とすると. Pコメ. とすると. Rnp;c. より. ( 1 ). R〕たnP=c. 〔 2 ). / / /Q / c なら4 定理3によると Q)cUB 故 Qコc で α 3 0 { ) d 0 = 勿論 4n ”nQ; 故に. 2) {. Pコc. 尺 つRnQ=d. ( 3 ) ′ ( 2 ). ・ Qコd RnQ;d より ′ 3 ( ) nQ=0 敵、 勿論 ”nd±0 4 然るに ● .・ ′ より ′( 〆 / / } 1 ” ( } 2 ) ,3 ,{ 次に PnQコ6ヨB より PヨB 叉 Rコ”UB よ り R ヨB. .. とす れば. な る 尺 を 考 え る と R コ”. Rnp-c. 亦 RnQ;〆, と す る と. s 3 平面 と直線との 平行 s. Pコる .. R つαU B. 然るに 4nP=0 故、 勿論 4nc=0 / / 3 り c { 1 ) よ・ ) 2 α ) ,( ,(. ,. =PnQnRこRnP=c. 鰯. ( 6 ). 故に. P〔R=cョβ. 亦 PnQ=るヨB より QヨB 叉 R〕αUB よ り 尺 ヨβ QnRニメヨB 故に / /〆; cヨβ, メヨβ. よ り c=d / / c ” ,4 故に c=cnd= (Rnp) n (RnQ) = (PnQ) n尺=るn尺 で る=c 故に. る= c二 d. となり. る / / 4. 8 4 平行な る平面 定理 7 平行な二平面 P, Q が第 三の平面 尺 と直線 4 , 鱗は互に平行である。 ,る で交わる時、 二つの交線 4 証明 Pn疋=” , QnR=る とすると P, 元コ4. Q, 尺 つら. と な る。. ・. る / / P/ /Q より PnQ;0 勿論 αnb=0 で 4 )αnb=A,Pコ4Ub なる平面 P は唯一 定義 皿(1 ,5. 雨 62 一.
(4) . 幾何学的性質の集合論一考察 つ存在する。 定理 8 平面 P に平行な直線 α ,る が点 A で交わ る時、” ,る で定められる平面 Q は P と平行である。 証明 P非Q とし PnQ=c とすると ′ Qコc. B2; 劫, C6 B2 C , Aー;C2 , 9;Cー ,A2 の連結直線を夫. るnc;わn (PnQ) ; (わnp) nQ一0nQ一〇 る / / / / に,み c で定理4の推移性より ” 故に. 々 亥;P ー;” と し、 Pb 力」;々 」; の; の;γ ー ー ,Q2;デ ,均. /Q これは ”nろ= A に反するから、 PnQ;0 即ち P/ ′ 0 PnQn尺〔……ns なるとき 3 定義 韮(2 ) . P/ /疋/ /……/ とする。 /S /Q/ 定理 9 平面 P に平行な平面 Q と 尺 は互に平行で あ る。. P/ /Q/ /尺. の交点を各々 P; Q; 尺 と す る と、 P, Q, 尺 は 燭, 冗2 の交線′ 上 に 在 る。 (Desqγgz f e s の定理) ) により 識明 定義 順 (1 .5 b b ↑ n 故 - U 〔 α なる平面 α が存在する。 ” α. 勿論. ゎnc= T 故 るUc仁β なる平面 β が存在する。 βョβI , B2 , C1 , C2. 勿論. cn”= ? 故 cUα亡γ なる平面 γが存在する。. Q/ /尺. γヨCI , Aー , C2 , A2. 勿論. 故に αヨAI ,αヨβー; 4nβ FD. S5 ね じれの位置にある二直線. αヨ月2 , αヨβ2; A2nβ2コ0. 定義1 / /P,α /Q なる時 P-Q 1 =( ) PnQコゎ で ” / ,6. (一直線を含み直線に平行な平面は唯一っ存在). 定義1 ▽ 1 ”Uる仁P なる平面 P が存在しない時、 . 二直線 α ,る はねじれの位置にある。 ′ αnる=0 且つ α什る なる時 定義I VI 、 二直線 α ,ろ はねじれの位置にある。 定理lo ねじれの位置にある二直線 α ,ろ の一方を含 み、 他方に平行な平面 P は唯一つ存在する。 証明 ,Pコろ 定義 皿(1 ) により みョβ なる点 β をとろと .4. ) により 定義 憤(2 .1 同様に. βコの. AIUBI P ムコ ーコ急U B A コ 変 U 2 9. αコP ー βコの 叉 γコγ1 γコγg. 定義 m (2 .1) により、 同様にして 汀・コ力 1 ー ,リー ,γ. 定理 1によ り. 冗2コカ 2 , の, 均. αn m -P , αnた2=変 と な って、 ,. 仮定により 冗 ,n燭-Z 故 P ーnP J=P を考えると /弓P 定理2より. /ョQ !ヨ尺 同様に が証明される。 定理ー3 玖nP n γ れ 之=P,q ーnの;Q 2;尺 且つ 冗 ,( , 尺 る T Q r ならば # =!ヨP n n α = なる一点 c が存 , , 在 す る。 (De sqγg 2 ‘ e s の定理の逆). ろnc=B,” / / c なる直線 c が唯一つ存在する。 1 5 ) ) 定義 頂(. により ゎnc=β,ろUc〔P (Pコc. 説明. なる平面 P が唯一つ存在する。. / /P 定理3により 可/ c ,Pつc であるから α る P P 1 6 / / 定義 皿 (. ) により C ,” な る 平 面 P は唯一つ存在する。. ねじれの位置にある直線 ” ,る 外の一点 C を 通り、 ” ,る と変わる直線 c が存在することがある。 定理”. 1 ) により P〕るUC 定義I R( ,2 ● なる平面P が唯一つ必らず存在する。 1 ( なる点 A が存在する.とすれば ) αnp=A 1 1 順 ( 定義 cコAUC . ) により 語明. .. αヨ Aー , A2 , βー , β2. 勿論. . 故に (PnQ) n (Pn尺) =PnQnR=0 故に. 定理12 異なる平面 町,冗2 上にそれぞれ 44ーBーCI , 4AgB2C2 が在り、 Aー , A2; Bー , B2; ,C2 の三連結 ・CI 直線 α;6;c が一点 T を通 るならば、 ん,β・; A2 ,. 仮定 ,QコαUる より Qコ” , Qコろ であるから ”nc=αn (PnQ) = (”〔P) nQ=onQ=0. . S 5 Desargues の定理. なる直線 c が存在することになるが. ) により Pコc となるから 定義 m (2 .1 6 β る 2 { ) nc- ( *c ) なる点 β が存在するとすれば、 1 2 即ち( } )の簾件が滴される時に限り直線 cが存在。 ,(. ) により 定義 m (L5. P ー〔P j-P 故 P ーUP 2〔α n 4 ー Q2=Q 敵 のUのこβ. なる平面αが存在する。 なる平面βが存在する。. れnh-R 故 ちUた(γ なる平面γが存在する。 定理2より αnβ=る ,βnγ=c ,γnα=” とすれば. 〃nるnc= r なる一点 rが存在する。. S7. 直. 交. 最後に角の計量を導入してみます。 定義 直線と直線、 直線と平面、 平面と平面とのなす , 角は従来通りのものを採用して垂直を↓で表わします。. 定義▽ ( T ,1)”nP=A,PコるUc ,るnc=A な る る, . P は点 A で直 直線 αユc c が dJる ならば ”と平面 , 、 P p A 交するといい、”n - ,t 2J と表わす。. i 定義 ▽( ) PつるUc .2 ,α↓b ,”Jc なる時直線 ” と平面 P は垂直であるといい、α↓P と表わす。. - 63 -.
(5) . ・ 大. 場. ‐ 定義V 2 PnQ=c , 尺np-る なる ,cJR, Qn兄=” q ,ろ が α↓る ならば、 二平面 P, Q は直線 cで直交す る と い い、 Pn Q=c , P↓ Q と表わす。. 定理14 平面 P 外の一点 ゑ を通り、 P と P 上の直 線 ら に垂直な直線 ”,! が P と交わって出来る二つの. 交点を結ぶ直線 c は る と垂直である。 (三垂線の定理) ) により Pつc 故 PつるUc 定義 順 (2 ,1 P 1 こ ) より α↓る 然る α↓ 故定義V ( .2 ,”Jc. 謹明. ) より Q)αU‘ なる平面 仮定では ‘↓6 故定義V (1 .2 / ろ↓Q なり。 る 工 散 Q を考えると るJ ” ‐, 然るに Qつc 散 るJc. ま、αを含む 定理15 直線 α が平面 P に垂直であれむ ′ 平面 Q は P に垂直である。 語明 Qコα , α↓P 故 ”np=A, PnQ;c とす. ) により れば、 定義V(1 .1. αnP= A, P〕るUc 、ろnc- A,α↓る ,αユc なる如き み. が存在して、 当然 αnる-A となる。 b A 故定義 皿( 1 今 ろJ .5)より ‐c なら しめれば nc= る平面 尺 が存在するからこれを 考 え る と αUb仁尺 な● cn尺=A,RコαUb ,cユる なる定義 V ,αnる=A,cJQ ) の係件が充され cn尺- A,cユ R で PnQ=c (1 , .1. 将. 寛. がそろい、 PnQ;c P↓Q 定理16 三平面 が二つづつ互に直交する時、 それら の. 交線も二つづつ互に直交する。 説明 P工Q, Q」只 然 るに. ) により 定義▽ (1 .2. なら当然 Q工RnP=b. QゴロUc. であるから. る↓” Lc ,も‐ も出る。. c↓” 同様に 、定義 皿 ( 一 7 ) / 1 . ”/P,”こQ P↓Q, なる平面 Q は唯‐ つ存在する。 i 定義 皿( .8) (QコαUB なる時) 点 β より直線 ”. に下した垂線は唯一つ存在する。. 定理17 ねじれの位置にある二直線 ”, b に共通な垂. 線は唯一つ存在する。 0より 讃明 Pコる とすれば、 定理1 P は唯一つ存在する。 P Pコる / / なる平面 α , / /P ) により α 定義 皿 (1 , ”CQ, P↓Q なる平面 .7 在するから Q は唯一つ存 、 PnQーc なる直線 c は唯 ′ こより 定理 鰍 一つ決定されて、 / / c. PnQ- であるから ” / c /P, Qコ” ” ,. 故に らncにB なる点 β は唯一つ存在して、 定義 m こ下した垂線は唯 一つ存在する。 ) より お からαむ (1 ,8. ciR, Qn尺=” ,”↓る なる定義 V 2 の鱗件 ,Rnp=る. - 64 -.
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