JOVANA
Explore Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
All guides

點、線、面:幾何學的起始詞

你日後寫的每一個證明,都建立在三個沒有人去定義的詞之上。來認識點、線、面——歐幾里得刻意留白、卻在其上建起整個宇宙的基石。

為何幾何學拒絕定義它最初的詞

翻開任何一本字典查一個詞,它的定義由別的詞構成,那些詞你也能再查,而那些詞又由更多詞構成。這條鏈條要嘛繞回自身,要嘛永無止盡。數學想讓每個主張都立於穩固之物上,無法忍受這種狀況。於是它做了一個大膽而誠實的決定:挑出極少數幾個詞,並約定永遠不去定義它們。

這些就是未定義詞。在平面幾何中,本質上有三個————再加上一個像「落在……上」的關係把它們連起來。我們不說點什麼,也不畫一個小圖就宣稱那就是點。我們只是直接使用這個詞,之後再透過規則來釘住它的行為。一個未定義詞並不是理論裡的漏洞,而是理論誠實地賴以站立的基岩。

點:一個完全沒有大小的位置

想像鉛筆能畫出的最尖的一個點,現在想像把它無止盡地削尖——更窄、更細,直到它沒有寬度也沒有高度。剩下的,是一個純粹的位置,是「在哪裡?」這個問題的答案,卻沒有任何東西能再讓你問「有多大?」。這就是:它有位置,卻有著零大小。我們用大寫字母為點命名:A、B、C。紙上畫的那個點只是替身,是個善意的謊言,因為真正的點小到看不見。

因為點沒有大小,它沒有部分、內部也空無一物。這正是歐幾里得在《幾何原本》中的第一句話:「點,是沒有部分的東西。」他其實並不是在定義它——你無法用更簡單的詞造出「點」——他是在描述他想放進你腦中的那幅圖像。兩個相異的點,不過是兩個不同的位置;而一個孤零零的點,永遠無法「介於」、「在……左方」或「比……長」。唯有當第二個點加入時,它才開始變得有趣。

線:筆直、無盡,且過兩點僅有一條

標出兩個點 A 與 B。在它們之間拉緊一條線,並越過兩端持續拉去,永不鬆垂、永不彎曲。那條完美筆直、無盡延伸的軌跡,就是。在幾何學中,「線」這個光禿禿的字永遠指線;它沒有粗細、沒有盡頭——我們畫在上面的箭頭,只是提醒它一直延伸下去。我們寫成「line AB」,用它上面任意兩個點來為它命名。

以下這條規則使線之所以為線,也是你能緊握住的第一塊真正的幾何:過任意兩相異點,恰有一條線通過。「至少一條」說的是你總能連起兩個位置;「恰有一條」說的是這從來沒有選擇的餘地——A 與 B 完全釘死了它們的線。這一句話正是歐幾里得公設之一,而它已經在挑大樑了。由它推得:兩條不同的線至多共有一個點;因為若它們共有兩點,那兩點就會逼得這兩條線成為同一條線。

三個或更多點若全都落在同一條線上,就稱為共線。任意兩點自動共線——總有一條線穿過它們——所以這個概念到三個點時才真正派上用場,並成為一個實在的問題:A、B、C 是否全落在同一條共同的線上?這個小小的問題,正是接下來幾乎每一條定理的種子。

面:永不終止的平坦桌面

現在把目光從線上移開,想像一張完美平坦的桌面——但沒有邊緣、沒有厚度,朝每個方向永遠延伸下去。那無盡的平坦,就是。一張紙、一池靜水、一面牆:每一個都是面的一小塊有限碎片,而真正的面同樣太大、太薄,看不見。初等幾何大半完全活在這樣一個面之內,這正是它被稱為平面幾何的原因。

正如兩點釘住一條線,三點釘住一個面——前提是這三點不共線。過任意三個不共線的點,恰有一個平面通過。這正是為何三腳凳永遠不會晃,而擺在不平地面上的四腳椅卻會:三隻腳總會落在同一個確定的平面上,但第四個點可能執意懸在它的上方或下方。確實共有一個平面的點,就稱為共面,是共線在平面上的表親。

把三者合在一起

點、線、面在維度上層層相套——點是零維、線是一維、面是二維——它們透過幾條安靜的接合規則扣在一起:關於什麼落在什麼之上的規則。兩點決定一條線;三個不共線的點決定一個平面;若一條線上有兩點落在某平面內,則整條線都落在該平面內。這些都不加以證明。它們是約定好的起手式,而其餘的一切都將由它們論證而來。

A . . . . . . . B          <-- two points
<---A-------B--->          <-- line AB: the one line through them

   C
    \
     \   A, B, C non-collinear
  A---+---B   -->  one plane holds all three
兩點固定一條線;三個不共線的點固定一個平面。

於是你現在握有了幾何學的三個起始詞,它們被刻意留作未定義,再加上管轄它們的最初幾條規則。下一篇導引裡,我們會把這些規則正式化:把不加證明就接受的東西,與靠證明才賺得的東西分開,並認識掌管接下來整場遊戲的角色——公設、定義與定理。