公理基礎:希爾伯特、平行公設與嚴謹性

中立幾何(neutral geometry)

想像做幾何時,刻意對那個把歐氏與非歐世界分開的唯一問題不選邊站:過一點有幾條平行線。中立幾何正是這種有紀律的克制。你保留希爾伯特的所有公理——接合、順序、全等、連續——卻對平行隻字不提,既不主張平行公設,也不否定它。在這種懸置判斷的狀態下你能證出的,在每個幾何中——無論平坦或彎曲——都為真。

存活下來的相當多。三角形全等判準(SAS、ASA、SSS、AAS)都是中立定理。等腰三角形定理、外角定理(三角形的外角大於任一不相鄰內角)、垂線的存在以及過線外一點至少有一條平行線、三角不等式——這些都不需平行公設。一個著名的更深結果,薩凱里-勒讓德定理(Saccheri-Legendre theorem)也是中立的:任何三角形的內角和至多 180 度,絕不超過。你在中立框架下無法證的是那句結論——內角和恰等於 180——這一句竟等價於平行公設,所以它坐落在邊界上,只有選邊後才可判定。

中立幾何是理解平行公設究竟添了什麼的試煉場。它精確顯示哪些古典定理是「免費的」(不論如何都真),哪些是由第五公設「付費」買來的。它也釐清那些等價:在中立公理之下,假設「存在一個矩形」「某個三角形內角和為 180」「平行線保持等距」或普萊費爾公理之中任一條,都會給出其餘各條與完整的歐氏幾何。把它們全剝掉,你剩下的就是歐氏與雙曲幾何共同分枝而出的主幹。

在中立幾何中你可以證出三角形的外角大於每個不相鄰內角,以及每個三角形的內角和至多 180 度——兩者都不提平行。但你無法證出和恰為 180;一旦能證出,你就已偷偷假設了平行公設。

所有幾何的共同主幹——在你選定有幾條平行線之前就為真。

「中立」與「絕對」幾何指的是同一回事;現代用「中立」一詞,是因為這幾何不選邊。注意橢圓幾何通常被排除在外,因為它還改動了順序公理,而不只是平行公理。

又称
absolute geometryBolyai-Lobachevsky neutral geometry絕對幾何中性幾何