Аксио́ма паралле́льности Евкли́да, или пя́тый постула́т, — одна из аксиом, лежащих в основании классической планиметрии. Впервые приведена в «Началах» Евклида :
И если прямая, падающая на две прямые, образует внутренние и по одну сторону углы, меньшие двух прямых, то продолженные неограниченно эти прямые встретятся с той стороны, где углы меньше двух прямых.
Евклид использует понятия постулат и аксиома, не объясняя их различия; в разных манускриптах «Начал» Евклида разбиение утверждений на аксиомы и постулаты различно, равно как не совпадает и их порядок. В классическом издании «Начал» Гейберга сформулированное утверждение является пятым постулатом.
На современном языке текст Евклида можно переформулировать так:
Если [на плоскости] при пересечении двух прямых третьей сумма внутренних односторонних углов меньше 180°, то эти прямые при достаточном продолжении пересекаются, и притом с той стороны, с которой эта сумма меньше 180°.
Уточнение, с какой именно стороны пересекаются прямые, Евклид добавил, вероятно, для ясности — легко доказать, что оно вытекает из самого факта существования пересечения.
Пятый постулат чрезвычайно сильно отличается от других постулатов Евклида, более простых и очевидных (см. Начала Евклида). Поэтому в течение двух тысячелетий не прекращались попытки исключить его из списка аксиом и вывести как теорему. Все эти попытки окончились неудачей. «Вероятно, невозможно в науке найти более захватывающую и драматичную историю, чем история пятого постулата Евклида». Несмотря на отрицательный результат, эти поиски не были напрасны, так как в конечном счёте привели к пересмотру научных представлений о геометрии Вселенной.
Равносильные формулировки постулата о параллельных В современных источниках обычно приводится другая формулировка постулата о параллельных, равносильная V постулату и принадлежащая Проклу (её иногда называют аксиомой Плейфера):
В плоскости через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной.
В этой формулировке слова «одну и только одну» часто заменяют на «только одну» или «не более одной», так как существование хотя бы одной такой параллельной сразу следует из теорем 27 и 28 «Начал» Евклида.
Вообще у V постулата имеется огромное количество равносильных формулировок, многие из которых сами по себе кажутся довольно очевидными. Вот некоторые из них.
Существует прямоугольник (хотя бы один), то есть четырёхугольник, у которого все углы прямые. Существуют подобные, но не равные треугольники (аксиома Валлиса, 1693). И здесь достаточно, чтобы существовала хотя бы одна пара таких треугольников. Любую фигуру можно пропорционально увеличить. Вариант: существует по меньшей мере одна фигура, которую можно пропорционально увеличить. Существует треугольник сколь угодно большой площади. Прямая, проходящая через точку внутри угла (меньшего, чем ), пересекает по крайней мере одну его сторону (аксиома Иоганна Фридриха Лоренца, 1791). Через каждую точку внутри острого угла всегда можно провести прямую, пересекающую обе его стороны (одно из предположений Лежандра, 1800). Сближающиеся прямые рано или поздно пересекутся. Вариант: перпендикуляр и наклонная к одной и той же прямой непременно пересекаются. Утверждение известно как постулат Лежандра, хотя эта формулировка встречалась ещё в XIII веке у ат-Туси. Точки, равноудалённые от данной прямой (по одну её сторону), образуют прямую. Вариант: расстояние между параллельными прямыми всегда постоянно, то есть параллельные прямые не могут ни сближаться, ни расходиться. Если две прямые начали сближаться, то невозможно, чтобы они затем начали (в ту же сторону, без пересечения) расходиться (аксиома Роберта Симсона, 1756). Вариант: Если две прямые в одну сторону расходятся, то в другую — сближаются. Сумма углов одинакова у всех треугольников. Вариант: существует, как минимум, одна пара неравновеликих треугольников с одинаковой суммой углов. Существует треугольник (по меньшей мере один), сумма углов которого равна двум прямым углам. Две прямые, параллельные третьей, параллельны и друг другу (аксиома Остроградского, 1855). Линия, ортогональная некоторому семейству параллельных прямых, является прямой. Прямая, пересекающая одну из параллельных прямых, непременно пересечёт и другую. Для всякого невырожденного треугольника существует описанная окружность (аксиома Фаркаша Бойяи). Справедлива теорема Пифагора (как минимум в одном прямоугольном треугольнике). Вариант: пространство имеет Евклидову метрику. Отношение длины окружности к её диаметру является константой, то есть одинаково для любой окружности. Существует окружность (хотя бы одна), у которой отношение длины окружности к её диаметру равно числу Пи.
Равносильность их означает, что все они могут быть доказаны, если принять V постулат, и наоборот, заменив V постулат на любое из этих утверждений, мы сможем доказать исходный V постулат как теорему.
Если вместо V постулата допустить, что для пары точка — прямая V постулат неверен, то полученная система аксиом будет описывать геометрию Лобачевского. Понятно, что в геометрии Лобачевского все вышеперечисленные равносильные утверждения неверны.
Пятый постулат резко выделяется среди других, вполне очевидных, он больше похож на сложную, неочевидную теорему. Евклид, вероятно, сознавал это, и поэтому первые 28 предложений в «Началах» доказываются без его помощи.
«Евклиду безусловно должны были быть известны различные формы постулата о параллельных». Почему же он выбрал приведённую, сложную и громоздкую? Историки высказывали различные предположения о причинах такого выбора. В. П. Смилга полагал, что Евклид такой формулировкой указывал на то, что данная часть теории является незавершённой. М. Клайн обращает внимание на то, что пятый постулат Евклида имеет локальный характер, то есть описывает событие на ограниченном участке плоскости, в то время как, например, формулировка Прокла утверждает факт параллельности, который требует рассмотрения всей бесконечной прямой. Надо пояснить, что античные математики избегали использовать актуальную бесконечность; например, второй постулат Евклида утверждает не бесконечность прямой, а всего лишь то, что «прямую можно непрерывно продолжать». С точки зрения античных математиков, вышеприведённые эквиваленты постулата о параллельных могли казаться неприемлемыми: они либо ссылаются на актуальную бесконечность или (ещё не введённое) понятие измерения, либо тоже не слишком очевидны. Ещё одну версию выдвинул историк : евклидова формулировка, возможно, была вначале (ошибочно доказанной) теоремой у кого-то из предшественников Евклида, и когда убедились, что доказать её не удаётся, статус теоремы повысили до постулата, не меняя текста формулировки.
Абсолютная геометрия
Если из списка аксиом исключить V постулат, то полученная система аксиом будет описывать так называемую абсолютную геометрию. В частности, первые 28 теорем «Начал» Евклида доказываются без использования V постулата и поэтому относятся к абсолютной геометрии. Для дальнейшего отметим две теоремы абсолютной геометрии: Параллельные прямые существуют; это следует из теорем 27 и 28 «Начал» Евклида. При продолжении двух прямых от точки их пересечения расстояние между ними неограниченно возрастает.
Попытки доказательства Математики с давних времён пытались «улучшить Евклида» — либо исключить пятый постулат из числа исходных утверждений, то есть доказать его, опираясь на остальные постулаты и аксиомы, либо заменить его другим, столь же очевидным, как другие постулаты. Надежду на достижимость этого результата поддерживало то, что IV постулат Евклида (все прямые углы равны) действительно оказался лишним — он был строго доказан как теорема и исключён из перечня аксиом.
За два тысячелетия было предложено много доказательств пятого постулата, но в каждом из них рано или поздно обнаруживалась логическая ошибка («порочный круг в доказательстве»): оказывалось, что среди явных или неявных посылок содержится утверждение, которое не удаётся доказать без использования того же пятого постулата.
Прокл (V век н. э.) в «Комментарии к I книге Начал Евклида» сообщает, что такое доказательство предложил Клавдий Птолемей, критикует его доказательство и предлагает своё собственное. В несколько упрощённом виде его можно описать так: пусть прямая проходит через заданную точку параллельно прямой ; докажем, что любая другая прямая , проведённая через ту же точку, пересекается с прямой . Как упоминалось выше, расстояние между прямыми от точки их пересечения возрастает неограниченно (ещё раз подчеркнём, что доказательство этой теоремы не опирается на V постулат). Но тогда в конце концов расстояние между и превысит расстояние между параллельными прямыми, то есть прямые и пересекутся.
Приведённое доказательство опирается на допущение, что расстояние между двумя параллельными прямыми постоянно (или, по крайней мере, ограничено). Впоследствии выяснилось, что это допущение равносильно V постулату.
Посидоний (I век до нашей эры) предложил определить параллельные как прямые, на всём протяжении равноудалённые друг от друга. Из такого определения легко выводится пятый постулат. Однако определение Посидония некорректно: ниоткуда не следует, что линия, равноудалённая от данной прямой, есть прямая.
После упадка античной культуры V постулатом занялись математики стран ислама. Доказательство ал-Джаухари, ученика ал-Хорезми (IX век), неявно подразумевало: если при пересечении двух прямых какой-либо третьей накрест-лежащие углы равны, то то же имеет место при пересечении тех же двух прямых любой другой. И это допущение равносильно V постулату.
Сабит ибн Курра (IX век) дал два доказательства; в первом он опирается на предположение, что если две прямые удаляются друг от друга с одной стороны, они обязательно приближаются с другой стороны. Во втором, как и Посидоний, он исходит из существования равноотстоящих прямых, причём этот факт ибн Курра пытается вывести из представления о «простом движении», т. е. о равномерном движении на фиксированном расстоянии от прямой (ему представляется очевидным, что траектория такого движения — тоже прямая). Каждое из двух упомянутых утверждений Ибн Курры равносильно V постулату.
Аналогичную ошибку сделал ибн ал-Хайсам, но он впервые рассмотрел фигуру, позже получившую название «четырёхугольник Ламберта» — четырёхугольник, у которого три внутренних угла — прямые. Он сформулировал три возможных варианта для четвёртого угла: острый, прямой, тупой. Обсуждение этих трёх гипотез, в разных вариантах, многократно возникало в позднейших исследованиях.
Поэт и математик Омар Хайям подверг критике попытки ввести в геометрию механическое движение. Он предложил заменить V постулат на другой, более простой: две сходящиеся прямые пересекаются, и невозможно, чтобы две сходящиеся прямые расходились в направлении схождения. Каждая из двух частей этого утверждения равносильна постулату Евклида.
Ал-Абхари предложил доказательство, сходное с доказательством ал-Джаухари. Это доказательство приводит в своей книге ас-Самарканди, и ряд исследователей считал его автором самого ас-Самарканди. Доказательство исходит из верного в абсолютной геометрии утверждения о том, что для всякой прямой, пересекающей стороны данного угла, может быть построена ещё одна прямая, пересекающая стороны этого же угла и отстоящая от его вершины дальше, чем первая. Но из этого утверждения автор делает логически необоснованный вывод о том, что через всякую точку внутри данного угла можно провести прямую, пересекающую обе стороны этого угла, — и основывает на этом последнем утверждении, равносильном V постулату, всё дальнейшее доказательство.
Насир ад-Дин ат-Туси предложил построение, аналогичное построению Омара Хайяма. Отметим, что сочинения ат-Туси стали известны Джону Валлису, и тем самым сыграли роль в развёртывании исследований по неевклидовой геометрии в Европе.