Какими свойствами могут обладать точки
Глава 1. Простейшие геометрические фигуры и их свойства
В этой главе рассматриваются знакомые вам из курса математики геометрические фигуры: точки, прямые, отрезки, лучи и углы.
Вы узнаете больше о свойствах этих фигур. Некоторые из этих свойств научитесь доказывать. Слова определение, теорема, аксиома станут для вас привычными, понятными и часто употребляемыми.
§ 1. Точки и прямые
Точка — самая простая геометрическая фигура. Это единственная фигура, которую нельзя разбить на части. Например, каждая из фигур, изображённых на рисунке 11, разбита на части. И даже о фигуре, изображённой на рисунке 12, состоящей из двух точек, можно сказать, что она состоит из двух частей: точки A и точки B.
На рисунке 13 изображены прямая a и две точки A и B. Говорят, что точка A принадлежит прямой a, или точка A лежит на прямой a, или прямая a проходит через точку A и, соответственно, точка B не принадлежит прямой a, или точка B не лежит на прямой a, или прямая a не проходит через точку B.
Прямая — это геометрическая фигура, обладающая определёнными свойствами.
Основное свойство прямой
Через любые две точки можно провести прямую, и притом только одну.
Это утверждение называют аксиомой (что такое аксиома, вы узнаете в § 6).
Рис. 14 |
|
Здесь и в дальнейшем, говоря «две точки», «три точки», «две прямые» и т. д., будем иметь в виду, что это разные точки и разные прямые. Случай их совпадения будем оговаривать особо.
Почему это свойство прямой — основное?
Через точки A и B можно провести много различных линий (рис. 14). Прямая же задаётся этими точками однозначно. В этом и состоит суть основного свойства прямой.
Это свойство позволяет обозначать прямую, называя две любые её точки. Так, прямую, проведённую через точки M и N, называют «прямая MN» (или «прямая NM»).
Если хотят разъяснить смысл какого-либо слова (термина), то используют определения. Например:
1)часами называют прибор для измерения времени;
2)геометрия — это раздел математики, изучающий свойства фигур.
Определения есть и в геометрии.
Определение
Две прямые, имеющие общую точку, называют пересекающимися.
Рис. 15 |
|
На рисунке 15 изображены прямые a и b, пересекающиеся в точке O.
Часто справедливость (истинность) какого-либо факта приходится устанавливать с помощью логических рассуждений.
Рассмотрим такую задачу. Известно, что все жители Геометрической улицы — математики. Женя живёт по адресу: ул. Геометрическая, 5. Является ли Женя математиком?
Из условия задачи следует, что Женя живёт на Геометрической улице. А поскольку все жители этой улицы математики, то Женя — математик.
Приведённые логические рассуждения называют доказательством того факта, что Женя — математик.
В математике утверждение, истинность которого устанавливают с помощью доказательства, называют теоремой.
Теорема 1.1
Любые две пересекающиеся прямые имеют только одну общую точку.
Рис. 16 |
|
Доказательство
Пусть пересекающиеся прямые a и b, помимо общей точки A, имеют ещё одну общую точку B (рис. 16). Тогда через две точки A и B проходят две прямые. А это противоречит основному свойству прямой. Следовательно, наше предположение о существовании второй точки пересечения прямых a и b неверно.
- Какую фигуру нельзя разбить на части?
- Сформулируйте основное свойство прямой.
- Какое свойство прямой позволяет обозначать её, называя любые две точки прямой?
- Для чего используют определения?
- Какие две прямые называют пересекающимися?
- Как называют утверждение, истинность которого устанавливают с помощью доказательства?
- Сформулируйте теорему о двух пересекающихся прямых.
Практические задания
1.Проведите прямую, обозначьте её буквой m. Отметьте точки A и B, лежащие на этой прямой, и точки C, D, E, не лежащие на ней.
2.Отметьте точки M и K и проведите через них прямую. Отметьте на этой прямой точку E. Запишите все возможные обозначения полученной прямой.
3.Проведите прямые a и b так, чтобы они пересекались. Обозначьте точку их пересечения буквой C. Принадлежит ли точка C прямой a? Прямой b?
4.Отметьте три точки так, чтобы они не лежали на одной прямой, и через каждую пару точек проведите прямую. Сколько образовалось прямых?
5.Отметьте четыре точки, никакие три из которых не лежат на одной прямой.
6.Проведите три прямые так, чтобы каждые две из них пересекались. Отметьте точки пересечения этих прямых. Сколько можно получить точек пересечения?
7.Отметьте четыре точки так, чтобы при проведении прямой через каждые две из них на рисунке образовалось: 1) одна прямая; 2) четыре прямых; 3) шесть прямых. Проведите эти прямые.
Упражнения
8.Пользуясь рисунком 17:
1)определите, пересекаются ли прямые a и MK.
2)укажите все отмеченные точки, принадлежащие прямой a; прямой MK;
3)укажите все отмеченные точки, не принадлежащие прямой a; прямой MK;
4)укажите все отмеченные точки, принадлежащие прямой a, но не принадлежащие прямой MK;
9.Пользуясь рисунком 18, укажите:
1)какие из отмеченных точек принадлежат прямой p, а какие не принадлежат ей;
2)каким прямым принадлежит каждая из точек A, B, C, D и E;
3)какие прямые проходят через каждую из точек C, B и A;
4)в какой точке пересекаются прямые k и p, m и k;
5)в какой точке пересекаются три из четырёх изображённых на рисунке прямых.
Рис. 17 | Рис. 18 |
|
|
10.Точка C принадлежит прямой AB. Являются ли различными прямые AB и AC ? Ответ обоснуйте.
11.Провели четыре прямые, каждые две из которых пересекаются, причём через каждую точку пересечения проходят только две прямые. Сколько точек пересечения при этом образовалось?
12.Как надо расположить шесть точек, чтобы они определяли шесть прямых?
13.Данную прямую пересекают четыре прямые. Сколько может образоваться точек пересечения этих прямых с данной?
14.Провели четыре прямые, каждые две из которых пересекаются. Сколько точек пересечения может образоваться?
15.Провели пять прямых, каждые две из которых пересекаются. Каково наименьшее возможное количество точек пересечения этих прямых? Какое наибольшее количество точек пересечения может образоваться?
16.Можно ли провести шесть прямых и отметить на них 11 точек так, чтобы на каждой прямой было отмечено ровно четыре точки?
17.На плоскости проведены три прямые. На первой прямой отметили пять точек, на второй — семь точек, а на третьей — три точки. Каким может быть наименьшее количество отмеченных точек?
18.Можно ли отметить несколько точек и провести несколько прямых так, чтобы на каждой прямой лежало ровно три отмеченные точки и через каждую точку проходило ровно три из проведённых прямых?
Рис. 19 |
|
Наблюдайте, рисуйте, конструируйте, фантазируйте
19.Из фигурок, имеющих вид уголка (рис. 19), сложите квадрат.
Источник
Этой статьей начинаем с Вами изучение одного из самых сложных и запутанных, но одновременно прекрасных, выверенных, наглядных и точных направлений математики – общей топологии. Название – не игра слов, к концу этой заметки Вы поймете, как математика относится ко всему роду homo sapiens. Начинаем!
Это так называемая бутылка Клейна – не правда ли завораживает? Какими свойствами обладает это фигура, можно ли ее построить в нашем трехмерном мире, как пройти из одной точки бутылки Клейна в другую?
Тополо́гия (от др. греч τόπος — место и λόγος — слово, учение) – наука, изучающая качественные свойства фигур не только в привычном нам трехмерном мире, но и в мирах с большим и меньшим количеством измерений (уж поверьте все вы сталкивались с ними, только может быть не догадывались).
Самый простой пример пространства меньшей размерности – это плоскость у которой размерность равна 2, подобно тому, как у прямоугольника есть ширина и длина.
Проделаем такой эксперимент: возьмем на плоскости квадрат и начнем его сжимать по краям, как бы сглаживая углы. После некоторого количества движений и выравниваний мы сможем получить круг – другую геометрическую фигуру. Процесс обратим – из этого круга мы всё так же можем получить квадрат. Значит ли это, что квадрат равен кругу, а круг квадрату? Конечно нет, но обычный человек сказал бы: “Они подобны”, а тополог скажет: “Они гомеоморфны или получены гомеоморфным преобразованием”.
Стрелки – направление растягивания.
Страшное слово? Как бы не так! Каждый из Вас (во всяком случае женская половина моей аудитории)за свою жизнь проводил гомеоморфные преобразования: “отщипнул тесто – сделал из него шар – раскатал в блин”.
Гомеоморфное преобразование – это ни что иное, как растягивание или сжатие точек какой-либо фигуры без образования разрывов и склеек одинаковых точек. Возьмите раскатанный блин и порвите его по центру – получите негомеоморфное преообразование.
Возникает резонный вопрос, а какие свойства остаются неизменными при гомеоморфизме? Математики называют такие свойства качественными или топологическими и если мы хотим говорить о них, то должны как-то охарактеризовать эти свойства, хотя бы интуитивно-наглядно. Очередной эксперимент:
Возьмем сферу – поверхность точек, равноудаленную от другой точки, называемой центром сферы. Сфера – пуста, если наполнить сферу любым веществом (в нашем случае мягким и эластичным) получится шар. Попытаемся понять, чем “топологически” отличается сфера от шара?
1) Зададимся вопросом: как наикратчайшим образом добраться из одной точки сферы в другую, противоположную ей (например. с северного на южный полюс)? Правильно, пойти как нормальный человек по поверхности. А для шара? Теоретически мы могли бы “срезать” добрую часть путь проникнув через его центр и прошив его насквозь. Есть отличие!
Напоминаю, что по “пустоте” мы не перемещаемся, а внутри шара – пустота.
2) Представьте, что вы решили прокатить по поверхности сферы колесо и вернуться в ту же точку. Изменится ли направление его вращения после Вашего с ним кругосветного приключения? Очевидно и для сферы и для шара, что нет.
Именно поэтому у кругосветных путешественников-автомобилистов колеса по приезду в родной город не крутятся в одну сторону
Но есть фигуры, прокатив колесо по которым и вернувшись в ту же точку мы изменим направление его вращения! Пример – широко известный лист Мёбиуса.
Источник: https://ds04.infourok.ru/uploads/ex/01a0/001892af-c470c37a/1/hello_html_m1ce4bf27.jpg
Это свойство фигур называется ориентируемость. Шар и сфера – ориентируем, а вот лист Мёбиуса – нет. Здесь отличий между шаром и сферой не выявлено.
3) Из определения следует, что под поверхностью сферы пустота. В шаре такого нет, он заполнен полностью.
Именно в третьем различии вся “соль”. Что же из него следует?
Представьте, что Вы взяли комок мокрого снега и хотите придать ему идеальную форму.
Снег еще рыхлый, поэтому сжимая снег со всех сторон Вы начнете “стягивать” точки этого шара к одной из его точек – центру.
А теперь попробуйте стянуть футбольный мяч хотя бы к одной его точке. Попробуем стянуть северный (N) и южный полюса (S). Суть в том, что в предельном приближении мяч порвется в точках W и E, а разрыв, как мы помним из определения, недопустим при гомеоморфизме.
Таким образом, мы не смогли гомеоморфно стянуть сферу к какой-либо из своих точек (зато сферу мы можем вывернуть наизнанку – видео в конце статьи), а шар смогли. В этом и заключается топологическое различие между этими фигурами: шар не гомеоморфен сфере. Остается открытым вопрос: чему же тогда гомеоморфен шар и сфера? Ответ: кубу.
Источник: https://ruread.net/bookimages/45203/img_41.jpg
Со сферой всё намного интереснее. Топологи различают сферу без ручки (тогда это просто сфера) и сферу с n-ручками, где n=1,2… Например, сфера с ручкой получается с помощью гомеоморфных преобразований из тора (бублика).
Так выглядит ручка – как подрезанный бублик.
Источник: https://habr.habrastorage.org/post_images/539/bb8/785/539bb878571fb370ff85bc9c70f4e8af.gif
Что же общего у кружки и тора? Ответ: количество дырок, и это ключевое топологическое свойство фигур. Фигуры с разным количеством дырок не могу быть гомеоморфны другу другу, не могут быть получены друг из друга посредством сжатия/растягивания. И это главный вывод нашего вводного экскурса. Где-то мог ошибиться, я думаю, найдутся корифеи. которые исправят в комментариях.
Стой, стой, а что же с человеком, который – шар с ручками?
Ах да, знакомьтесь – это человек-Шар и он попал в передрягу: у него руки закреплены между собой как два кольца.
Ему нужно помочь распутать руки не разрывая пальцы. Вы скажете невозможно, топологи скажут: элементарно.
Обещанное видео про выворачивание сферы наизнанку (завораживает):
Часть 1
Часть 2
Подведем итог:
1) Топология изучает качественные свойства геометрических фигур.
2) Топология не нарушается при гомеоморфном преобразовании: сжатии, растягивании или склейке.
3) Важнейшим топологическим свойством фигур является количество дырок.
4) Фигуры с разным количеством дырок не гомеоморфны.
На этом ознакомительная статья подходит к концу, но приступать к изучению топологии не на интуитивно-бытовом уровне еще рано. Необходимо дать и другие основополагающие понятия. а именно множества и расстояния. Этим категориям и будут посвящены следующие статьи этого цикла.
ПРОДОЛЖЕНИЕ (МОЖЕТ, НУДНОЕ, НО НУЖНОЕ)
Часть 2. Определения множества и подмножества.
Часть 3. Бинарные операции над множествами.
Часть 4. Унарные операции над множествами
Часть 5. Законы де Моргана и диаграммы Эйлера-Венна (выйдет вечером 24.05) – подпишитесь на телеграмм-канал, чтобы не пропустить.
************************************************************************
Спасибо! Надеюсь, было очень интересно и познавательно! Буду рад, если Вы поддержите меня ПОДПИСКОЙ, ЛАЙКОМ или даже критическим комментарием.
**************************************************************************
О чем я еще пишу:
Теорема неслучайности: неравенство Чебышева
Про факториал
Ответ тем, кто отрицает пользу математики в обычной жизни
Правда интересные числа, “мамой клянусь”
Экзотические тригонометрические формулы, которые не дают в школе
Источник