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◎ 解决直角的牛皮:角度和垂直

古埃及人开始用牛皮覆盖住地面的方式来平分土地,可是有一位智者发出了不同的声音:我们为什么非要用整张牛皮把地面盖住呢?要想让土地的面积相等,只需要长、宽分别相等就行了。我们完全可以把牛皮搓成牛皮绳,直接用4根牛皮绳围着土地的边缘转一圈,把4条边的长度都用绳子记录下来,不就可以了吗?大家一想:好像也对,于是很快就都学会了这种新办法,这样一来就省得折腾那么多张牛皮了,分地的效率也大大提高了!事实上也没有那么多块牛皮可以用,现在我可以告诉你,用整张牛皮蒙住地面的办法压根就没有发生过。这只是为了讲清楚欧几里得的5条公理虚构出来的故事而已。但是,我们刚才提到的用绳子分别测量边长的办法,可是一直在古埃及流行了好多好多年的。尽管这种办法是错误的!

它的问题在于:只用绳子量取了土地的四边长度,并不能保证土地的形状是完全一样的,如果这块土地不是长方形的,换句话说,如果长边、宽边不是完全垂直的,那么用这种办法得到的图形,它就不是完全相等的。我们在小学的时候学过,长方形的面积等于长乘宽,但是平行四边形的面积,可不等于长乘宽,而是等于长乘高。可是古代埃及人,他们并不懂得这个道理。同时我要说明的是,如果平行四边形只是倾斜了一点点,它的面积和长方形的面积差得并不多。比如,当平行四边形的一个角度是80度时,看上去倾斜度就很大了,但是它的面积和斜边为宽度的长方形差距却不到2%。这一点微弱的差别很容易被忽略,所以在相当长的时间内,古埃及人没有发现这种方式存在的问题。然而,历史在发展,人类在进步,随着测量精度的不断提高,他们就慢慢感觉出来了,虽然长宽一样,但是这个倾斜着的土地它好像就是不如长方形的地种出来的粮食多。于是,大家都不愿意要平行四边形的土地了,大家都希望能把土地分割得方方正正的。可问题是,要想把土地分割成长方形,我们就得保证土地的4个角都是直角。那么新的问题来了,我们用牛皮和绳子,怎么样才能做出完美的直角呢?

这时,又有一个人发明了一个好办法:首先他把一张牛皮上下对折一下,于是就会在牛皮上折出一条直线的折痕来,然后他再把这张牛皮左右对折一下,对折的时候把原来折的那条水平线对齐了,这样就又折出一条新的折痕来。(如图4-1)经常玩折纸的人,应该很容易理解我的意思,其实就是通过两条折痕,在白纸上折出一个十字来。现在就好办了,这个十字中的任何一个角都是直角了。这种操作本身很简单,大家很容易掌握,可是我要问:为什么通过这种办法得到的角就是直角呢?其中的关键在于,我们在折牛皮的时候,是把前面的那条折痕对齐了的,既然是对齐了,那就说明折出来的两个角是相等的,在此过程中我们利用的是几何学的第一公理:相互覆盖的两个东西相等。那么,这两个相等的角又分别是多少呢?由于这两个角的角度加起来是一个平角,所以它们的大小就是平角的一半,180度的一半是90度,所以它们当然就都是直角了。在这个过程当中,我们可以发现,任何一张牛皮、任何一张纸,只要是按照这种办法对齐了折两次,他们得到的角都是直角,角的度数也都是一样的。这就是欧几里得的第一个重要的公设:凡是直角都相等!

图4-1

不过古埃及人可不懂这么多,它们只知道靠着折叠牛皮的办法,就可以快速得到直角了,然后只要带有十字折痕的牛皮,往地上一扔,只要土地的长、宽两条边和十字对齐了,那就说明这个土地是方的。这块牛皮好不容易被细绳取代了,但因为要解决直角的问题,它又重新走回来了,看来分土地还是离不开牛皮的帮助。

古埃及人可以不管直角是什么,但是我们却不能不管,现在我们需要继续研究几何问题:直角的定义是什么?除了直角之外,还有哪些角?小学的时候我们就学过,角是射线围着它的端点转出来的结果。如果这条射线转了一整圈,那就是360度,叫作周角;如果只转了半圈,就形成了一条直线,这样的角度是周角的一半,因此就是180度,180度的角叫作平角。平角的一半就是90度,90度的角就叫直角。但是,我们之前说过,几何学是没有数字的数学,因此,我们不能通过90度来定义直角,那应该怎么表达呢?欧几里得的定义是:当两条直线相交时,如果相交所得的两个邻角相等,那么它们两个就都是直角。很明显,他是通过平角的一半定义直角的。同时他还指出:成直角的两条直线相互垂直,其中任意一条都叫作另一条的垂线。那么,如果这个角度小于直角呢?就叫作锐角。为什么叫锐角?因为这个角度看起来比较尖,比较锐利。反之,如果这个角度大于直角,就叫作钝角。这些知识都是我们小学的时候就掌握了的,现在新的问题来了,两条直线相交以后会产生4个角,这些角之间有什么关系呢?

如图4-2所示, AB CD 两条直线相交,产生了一个X形:其中上下的两个角∠1和∠3共用了同一个顶点,还共用了两条直线,这个状态看起来是针锋相对的,就像两个牛犄角对着顶在了一起,所以我们就把这对角叫作对顶角。同样,左右两边的∠2和∠4也是对顶角。只要是共用一个顶点,共用两条线的一对角都叫对顶角。那么,像∠1和∠2这样紧挨在一起的又是什么关系呢?由于∠1和∠2是一条直线被另一条直线裁成两半了,又因为它们两个彼此紧邻着,所以我们就把这样的一对角叫作邻补角。因为可以拼成一个平角,所以两个邻补角之和等于180度。

图4-2

这个邻补角等于180度很容易理解,那么对顶角∠1和∠3是什么关系呢?凭直觉我们都能想到,这两个角肯定是相等的关系。但是为什么两条直线相交以后,产生的对顶角就一定是相等的呢? oE5LOscbuPIcp8vhNoX8NoZCF3R+PTJw4VOsGJxgIMQubsOfdhTlMmQfN72oNfER

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