в буквальном понимании - все геометрические системы, отличные от геометрии Евклида; однако обычно термин "Н. г." применяется лишь к геометрическим системам (отличным от геометрии Евклида), в которых определено движение фигур, причём с той же степенью свободы, что и в геометрии Евклида. Степень свободы движения фигур в евклидовой плоскости характеризуется тем, что каждая фигура без изменения расстояний между её точками может быть перемещена так, чтобы любая выбранная её точка заняла любое заранее назначенное положение; кроме того, каждая фигура может вращаться вокруг любой своей точки. В евклидовом трёхмерном пространстве каждая фигура может быть перемещена так, чтобы любая выбранная её точка заняла любое заранее назначенное положение; кроме того, каждая фигура может вращаться вокруг любой оси, проходящей через любую её точку.
Среди Н. г. особое значение имеют
Лобачевского геометрия и
Римана геометрия, которые чаще всего и подразумевают, когда говорят о Н. г. Геометрия Лобачевского - первая геометрическая система, отличная от
геометрии Евклида, и первая более общая теория (включающая евклидову геометрию как предельный случай). Геометрия Римана, открытая позднее, в некоторых отношениях противоположна
геометрии Лобачевского, но вместе с тем служит ей необходимым дополнением. Совместное исследование геометрий Евклида (см.
Евклидова геометрия)
, Лобачевского и Римана позволило в должной мере выяснить особенности каждой из них, а также их связи друг с другом и с другими геометрическими системами. Ниже обе Н. г. и геометрия Евклида сопоставляются как синтетические теории, затем в плане дифференциальной
геометрии и, наконец, в виде проективных моделей.
Н. г. как синтетические теории. Геометрия Лобачевского строится на основе тех же аксиом, что и евклидова, за исключением только одной аксиомы о параллельных. Именно, согласно аксиоме о параллельных евклидовой геометрии, через точку, не лежащую на данной прямой а, проходит только одна прямая, которая лежит в одной плоскости с прямой а и не пересекает эту прямую; в геометрии Лобачевского принимается, что таких прямых несколько (затем доказывается, что их бесконечно много).
В
геометрии Римана принимается аксиома: каждая прямая, лежащая в одной плоскости с данной прямой, пересекает эту прямую. Эта аксиома противоречит системе аксиом евклидовой
геометрии с исключением аксиомы о параллельных. Т. о., система аксиом, лежащая в основе
геометрии Римана, необходимо должна отличаться от системы аксиом евклидовой
геометрии не только заменой одной аксиомы о параллельных другим утверждением, но и в части остальных аксиом. Различными в этих геометриях являются аксиомы, которые служат для обоснования так называемых отношений порядка геометрических элементов. Сущность в следующем: в евклидовой
геометрии и в
геометрии Лобачевского порядок точек на прямой является линейным, т. е. подобным порядку в множестве действительных чисел; в
геометрии Римана порядок точек на прямой является циклическим, т. е. подобным порядку в множестве точек на окружности. Кроме того, в геометриях Евклида и Лобачевского каждая прямая, лежащая в данной плоскости, разделяет эту плоскость на две части; в
геометрии Римана прямая не разделяет плоскость на две части, т. е. любые две точки плоскости, не лежащие на данной прямой, можно соединить в этой плоскости непрерывной дугой, не пересекая данную прямую (топологической моделью плоскости Римана служит
Проективная плоскость)
.
Требования аксиом, определяющих движение фигур, для всех трёх геометрий одинаковы.
Примеры теорем Н. г.
1) В геометрии Лобачевского сумма внутренних углов любого треугольника меньше двух прямых; в геометрии Римана эта сумма больше двух прямых (в евклидовой геометрии она равна двум прямым).
2) В геометрии Лобачевского площадь треугольника выражается формулой:
S = R2(π - α - β - γ), (1)
где α, β, γ - внутренние углы треугольника, R - некоторая постоянная, которая определяется выбором единицы измерения площадей. В геометрии Римана имеет место формула:
S = R2(α + β + γ - π) (2)
при аналогичном значении символов (в евклидовой геометрии зависимости между площадью треугольника и суммой его углов нет).
3) В геометрии Лобачевского между сторонами и углами треугольника существует ряд зависимостей, например
где sh, ch - гиперболические синус и косинус (см.
Гиперболические функции)
, a, b, c - стороны треугольника, α, β, γ - противолежащие им углы,
R - постоянная, определяемая выбором масштаба; для прямоугольного треугольника (с гипотенузой с и прямым углом γ) имеет место, например, равенство:
При некотором согласовании линейного масштаба и единицы измерения площадей постоянная R в формулах (1), (3), (4) будет одинаковой. Число R называется радиусом кривизны плоскости (или пространства) Лобачевского. Число R при данном масштабе выражает определённый отрезок в плоскости (пространстве) Лобачевского, который также называют радиусом кривизны. Если масштаб меняется, то меняется число R, но радиус кривизны, как отрезок, остаётся неизменным. Если радиус кривизны принять за масштабный отрезок, то R = 1. В геометрии Римана существуют сходные равенства:
(для произвольного треугольника) и
(для прямоугольного) при аналогичном значении символов. Число R называют радиусом кривизны плоскости (или пространства) Римана. Как видно из формул (4) и (6), в каждой из Н. г. гипотенуза прямоугольного треугольника определяется его углами; более того, в Н. г. стороны любого треугольника определяются его углами, т. е. не существует подобных треугольников, кроме равных. В евклидовой геометрии нет формул, аналогичных формулам (4) и (6), и нет никаких др. формул, выражающих линейные величины через угловые. При замене R на Ri
формулы (1), (3), (4) превращаются в формулы (2), (5), (6); вообще, при замене R на Ri все метрические формулы геометрии Лобачевского (сохраняющие при этой замене геометрический смысл) переходят в соответствующие формулы геометрии Римана. При R → ∞ и те и другие дают в пределе формулы евклидовой геометрии (либо теряют смысл). Стремление к бесконечности величины R означает, что масштабный отрезок является бесконечно малым по сравнению с радиусом кривизны (как с отрезком). То обстоятельство, что при этом формулы Н. г. переходят в пределе в формулы евклидовой геометрии, означает, что для малых (по сравнению с радиусом кривизны) неевклидовых фигур соотношения между их элементами мало отличны от евклидовых.
Н. г. в плане дифференциальной
геометрии. В каждой из Н. г. дифференциальные свойства плоскости аналогичны дифференциальным свойствам поверхностей евклидова пространства (см.
Дифференциальная геометрия)
; в неевклидовой плоскости могут быть введены внутренние координаты
u, v, так что дифференциал
ds дуги кривой, соответствующий дифференциалам
du, dv координат, определяется равенством:
ds2 = Edu2 + 2Fdudv + Gdv2 (7)
Пусть, в частности, в качестве координаты u произвольной точки М берётся длина перпендикуляра, опущенного из М на фиксированную прямую, а в качестве координаты v - расстояние от фиксированной точки О этой прямой до основания указанного перпендикуляра; величины u, v следует брать со знаком, подобно обычным декартовым координатам. Тогда формула (7) для плоскости Лобачевского будет иметь вид:
а для плоскости Римана
R - та же постоянная, которая входит в формулы предыдущего раздела (радиус кривизны). Правые части (8) и (9) суть метрические формы поверхностей евклидова пространства, имеющих соответственно постоянную отрицательную кривизну К = - 1/R2 (как, например, псевдосфера) и постоянную положительную кривизну К = 1/R2 (как, например, сфера). Поэтому внутренняя геометрия достаточно малой части плоскости Лобачевского совпадает с внутренней геометрией на соответствующей части поверхности постоянной отрицательной кривизны. Аналогично, внутренняя геометрия достаточно малых частей плоскости Римана реализуется на поверхностях постоянной положительной кривизны (поверхностей, которые реализуют геометрию всей плоскости Лобачевского, в евклидовом пространстве нет). При замене R на Ri метрическая форма (8) переходит в метрическую форму (9). Так как метрическая форма определяет внутреннюю геометрию поверхности, то при такой замене и другие метрические соотношения геометрии Лобачевского переходят в метрические соотношения геометрии Римана (что уже было отмечено выше). При R = ∞ каждое из равенств (8) и (9) даёт
ds2 = du2 + dv2,
т. е. метрическую форму евклидовой плоскости.
Трёхмерные
неевклидовы пространства по своим дифференциальным свойствам относятся к числу римановых пространств в широком смысле (см.
Риманово пространство) и выделяются среди них прежде всего тем, что имеют постоянную риманову кривизну (см.
Риманова геометрия)
. Как в двумерном, так и в трёхмерном случае постоянство кривизны обеспечивает однородность пространства, т. е. возможность движения фигур в нём, причём с той же степенью свободы, как (соответственно) на евклидовой плоскости или в евклидовом пространстве. Пространство Лобачевского имеет отрицательную кривизну, равную - 1
/R2, пространство Римана - положительную кривизну, равную 1/
R2 (
R - радиус кривизны). Евклидово пространство занимает промежуточное положение и является пространством нулевой кривизны.
Пространства постоянной кривизны могут иметь весьма разнообразное строение в смысле топологии (См.
Топология)
. Среди всех пространств постоянной отрицательной кривизны пространство Лобачевского однозначно выделяется двумя свойствами: оно полно (в смысле полноты метрического пространства (См.
Метрическое пространство))
, топологически эквивалентно обычному евклидову пространству. Пространство Римана среди всех пространств положительной кривизны однозначно выделяется свойством топологической эквивалентности проективному пространству. Аналогичными условиями выделяются многомерные пространства Лобачевского и Римана среди многомерных пространств постоянной римановой кривизны.
Н. г. в виде проективных моделей. Пусть на проективной плоскости введены проективные однородные координаты (x1, x2, x3) и задана некоторая овальная линия второго порядка, обозначаемая дальше буквой k, например
x12 + x22 + x32 = 0
Каждое проективное
Отображение проективной плоскости на себя, которое оставляет на месте линию
k, называется автоморфизмом относительно
k. Каждый автоморфизм отображает внутренние точки линии
k также во внутренние её точки. Множество всех автоморфизмов относительно линии
k составляет группу (См.
Группа)
. Пусть рассматриваются только точки проективной плоскости, лежащие внутри
k; хорды линии
k называются "прямыми". Две фигуры пусть считаются равными, если одна из них переводится в другую некоторым автоморфизмом. Так как автоморфизмы составляют группу, то имеют место основные свойства равенства фигур: если фигура
А равна фигуре
В, то
В равна
А; если фигура
А равна фигуре
В,
а В равна фигуре
С, то
А. равна
С. В получаемой т. о. геометрические теории будут соблюдены требования всех аксиом евклидовой
геометрии, кроме аксиомы о параллельных: вместо этой последней аксиомы соблюдается аксиома о параллельных Лобачевского (см.
рисунок, где показано, что через точку
Р проходит бесконечно много "прямых", не пересекающих "прямой"
а). Тем самым получается истолкование (двумерной)
геометрии Лобачевского при помощи объектов проективной плоскости или, как говорят, проективная модель
геометрии Лобачевского; линию
k называют абсолютом этой модели. Автоморфизмы относительно
k играют роль движений. Поэтому геометрию Лобачевского можно рассматривать как теорию, изучающую свойства фигур и связанные с фигурами величины, которые остаются неизменными при автоморфизмах; короче говоря, геометрию Лобачевского можно рассматривать как теорию инвариантов группы автоморфизмов относительно овального абсолюта.
Геометрия Римана (двумерная) допускает сходное истолкование; именно она является теорией инвариантов относительно нулевого абсолюта
x12 + x22 + x32 = 0. (10)
При этом в качестве точек и прямых модели берутся все точки и прямые проективной плоскости; автоморфизмы определяются чисто алгебраически как линейные преобразования, которые переводят уравнение (10) в уравнение того же вида.
Евклидову геометрию также можно рассматривать как теорию инвариантов некоторой группы проективных преобразований, именно, группы автоморфизмов относительно вырожденного абсолюта
x12 + x22 = 0, x3 = 0,
т. е. относительно мнимых точек (1, i, 0), (1, -i, 0); эти точки называют круговыми точками. Предметом модели являются все точки проективной плоскости, кроме точек прямой x3 = 0, и все прямые проективной плоскости, кроме прямой x3 = 0. В последнем случае автоморфизмы играют роль подобных преобразований, а не движений, как в случае Н. г.
Рассмотренные модели относятся к двумерным геометриям; проективные модели высших размерностей строятся аналогично.
Соответственно характеру уравнений абсолютов, геометрия Лобачевского называется гиперболической, геометрия Римана - эллиптической, геометрия Евклида - параболической.
Н. г. имеют существенные приложения в математике (теории аналитических функций, теории групп и др.) и смежных с нею областях (например, в теории относительности). Эти приложения основаны на том, что разнообразные конкретные модели Н. г. связаны с различными объектами и понятиями указанных разделов математики и смежных с нею областей. О значении Н. г. см. также
Геометрия.
Лит.: Александров П. С., Что такое неевклидова геометрия, М., 1950; Клейн Ф., Неевклидова геометрия, пер. с нем., М. - Л., 1936; Ефимов Н. В., Высшая геометрия, 4 изд., М., 1961.
Н. В. Ефимов.
Рис. к ст. Неевклидовы геометрии.