Могут ли параллельные прямые пересекаться

Узнайте, почему параллельные прямые в евклидовой геометрии никогда не пересекаются, а в других системах они могут иметь «точку вне плоскости».

Вопрос о том, могут ли параллельные прямые пересекаться, кажеться простым, но раскрывает тонкости разных ветвей геометрии. В этой статье мы разберём, что означает «параллельность», в каких системах координат и геометрических построениях параллельные прямые действительно не имеют общих точек, а где возникает «точка пересечения» за пределами привычной плоскости.

Что такое параллельные прямые в классической (евклидовой) геометрии?

Определение 1. Две прямые a и b в евклидовом пространстве называют параллельными, если они лежат в одной плоскости и не имеют ни одной общей точки.

Это определение принято в школьных учебниках и в большинстве практических приложений (инженерия, черчение, архитектура). Согласно ему:

  • Если две прямые находятся в одной плоскости, то они либо пересекаются (имеют одну общую точку), либо параллельны (не пересекаются).
  • Если же прямые находятся в разных плоскостях, то они могут быть скрещивающимися (не лежат в одной плоскости и не пересекаются) – в этом случае термин «параллельные» не применяется.

Таким образом, в рамках евклидовой геометрии ответ на вопрос «пересекаются ли параллельные прямые?» – нет, они не пересекаются.

Почему в школьных курсах иногда появляется идея «пересечения в бесконечности»?

Для решения задач на построение и доказательство теорем удобно «добавить» в плоскость точку на бесконечности. Это делается в рамках проективной геометрии.

Проективная плоскость

В проективной плоскости каждую семейство параллельных прямых объединяют общей точкой на бесконечности. Формально:

  • К любой прямой добавляется «идеальная» точка, лежащая «на бесконечном расстоянии».
  • Все прямые, параллельные друг другу, имеют одну и ту же идеальную точку.
  • Любые две прямые в проективной плоскости всегда пересекаются (либо в обычной точке, либо в точке на бесконечности).

Эта идея позволяет формулировать теоремы без исключений (например, теорему Паппа).

Как это выглядит в координатах?

В однородных (приведённых) координатах точка задаётся тройкой (x : y : z). Прямая имеет уравнение ax + by + cz = 0. При z = 0 получаем «точки на бесконечности». Параллельные прямые имеют одинаковый вектор направления, а значит одинаковые координаты (dx : dy : 0) – их «общая» точка.

Параллельность в неевклидовых геометриях

Гиперболическая (неевклидова) геометрия

В геометрии Лобачевского (гиперболической) понятие параллельности несколько изменяется:

  • Через точку, не лежащую на данной прямой, проходит бесконечно много прямых, которые не пересекают данную прямую – их называют асимптотическими (или «псевдопараллельными»).
  • Тем не менее, по определению любые две прямые, которые не пересекаются в конечных точках, считаются параллельными. Таким образом, в гиперболической геометрии также сохраняется правило: параллельные прямые не пересекаются.

Сферическая (эллиптическая) геометрия

На сфере «прямыми» являются большие окружности (пересечения сферы с плоскостью, проходящей через центр). Любые две такие «прямые» пересекаются в двух точках. Следовательно, в этой геометрии нет параллельных прямых в традиционном смысле.

Практические выводы и часто задаваемые вопросы

Что ответить на экзамене по ЕГЭ?

  1. Вопрос: «Если две прямые на плоскости параллельны, то они пересекаются?»
  2. Ответ: Нет, параллельные прямые в евклидовой плоскости не пересекаются. (Это следует из определения параллельности.)
  3. Если требуется уточнение: «В какой геометрии параллельные прямые могут пересекаться?» – ответ: в проективной геометрии (пересечение происходит в точке на бесконечности).

Почему на горизонте «рельсы сходятся»?

Это визуальный эффект, обусловленный проекцией трехмерного пространства на плоскость зрительного поля. На самом деле рельсы остаются параллельными, а их «сходящиеся» линии представляют собой проекцию в точку на бесконечности – то есть проективный «пересекающий» элемент.

Можно ли «провести» прямую, параллельную данной, через любую точку?

  • В евклидовой плоскости – единственная прямая, параллельная заданной, проходит через любую точку, не лежащую на ней (постулат Платона).
  • В гиперболической геометрии – много таких прямых (по крайней мере две асимптотические).
  • В проективной геометрии – единственная, но «пересечение» происходит в точке на бесконечности.

Подводя черту под обсуждением, получаем следующую таблицу:

Геометрия Определение параллельных Пересекаются? Комментарий
Евклидова (плоскость) Лежат в одной плоскости и не имеют общих точек Нет Классическое школьное определение.
Проективная плоскость Лежат в одной плоскости, но допускается общая точка на бесконечности Да (в точке на бесконечности) Удобно для теоретических доказательств.
Гиперболическая (Лобачевского) Не пересекаются в конечных точках Нет (в обычном смысле) Существует бесконечно много «псевдопараллельных» прямых.
Эллиптическая (сферическая) Параллельных прямых нет Все «прямые» пересекаются Большие окружности всегда имеют две точки пересечения.

Итак, в стандартной евклидовой плоскости параллельные прямые не пересекаются. Если же мы расширяем понятие плоскости (проективная геометрия) или меняем кривизну пространства (гиперболическая, сферическая), то ситуация меняется, и появляется возможность «пересечения» в особом смысле.

Ссылки для дальнейшего чтения

  • К. Ф. Рачев «Элементы геометрии», глава «Параллельность».
  • H. S. M. Куликов «Проективная геометрия», §2 «Точки на бесконечности».
  • А. К. Шарков «Гиперболическая геометрия», глава «Аксіомы и параллельные линии».
  • Википедия: Параллельные прямые, Проективная геометрия.

Надеемся, что данная статья помогла разобраться в тонкостях вопроса и понять, почему в разных геометрических системах ответы могут отличаться.