PRINCIPIA GEOMETRICA · 公理化初中几何

几何原理
四条公理出发—— 一张初中几何的定理图谱。

《几何原本》的思想是伟大的,但它的公理与定义按今天的标准并不严谨。 这套体系基于 G. D. Birkhoff (1932) 的四条公理,循着原本的脉络,把初中常用的几何定理从公理出发逐一证明, 让你看到每条定理的来路。 完整的定理图谱已经上线——你可以从下方任意节点点进去看推导。

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从公理 → 定理 · DAG
Principia Geometrica
PREFACE
前言

在四条公理之前——什么是定义?什么是公理?欧几里得 → 希尔伯特 → Birkhoff,我们为什么从这里出发。

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四条公理

Birkhoff (1932) · 实数为度量

这四条等价于 Hilbert 公理 I + II + III + IV + V,但更直接:把"测量"作为基本概念,让实数承担连续公理的工作。

度量约定:矩形面积 = 长 × 宽、圆面积 πr²、圆周长 2πr 作为基础度量公式直接接受——它们的严格证明需要极限工具,超出本图谱范围;其他面积/弧长公式都由此推出。

二十四个定义

定义不是等待证明的结论,而是这套体系共同使用的精确词汇。它们同样标明依赖:每个新概念只由更基础的公理或定义构成。

从基本对象到常用图形
d1

由一个公共端点(顶点)引出的两条射线所夹成的图形;它张开多大,由量角器公理量成一个 0° 到 180° 之间的实数,即它的度数。

依赖 · 量角器

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距离 d1

两点之间的距离,是用直尺公理把连结它们的线段量出的那个非负实数;两点重合时为 0,否则为正,记作 |AB|。

依赖 · 尺子

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平行 d1

同一平面内的两条直线,如果没有公共点,或者完全重合,就称它们互相平行;这是「永不相交」的精确说法。

依赖 · 点线

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垂直 d1

两条直线相交,若四个交角中有一个是直角,就称这两条直线互相垂直;其中一条叫作另一条的垂线。

依赖 · 量角器

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射线 d1

从直线上一点出发、只朝一个方向无限延伸的那半条直线;出发的那个点叫端点,它一端封口、另一端没有尽头。

依赖 · 点线 · 尺子

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线段 d1

直线上两个点、以及夹在它们之间的所有点,合起来的那段图形;这两个点叫端点,它有确定的长度、两端封口不再延伸。

依赖 · 点线 · 尺子

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角平分线 d2

从角的顶点出发、把这个角分成相等两半的那条射线;它上面的每一点到角两边的距离都相等。

依赖 · 角 · 射线

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d2

平面上到一个定点(圆心)距离等于定长(半径)的所有点,组成的那条曲线;圆心定位置、半径定大小,两者一给圆就唯一确定。

依赖 · 距离

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全等 d2

两个图形全等,是指顶点之间存在一一对应,使每对对应边等长、每对对应角等度——等价地说,一个能不改变形状与大小地叠合到另一个上,记作 ≅。

依赖 · 距离 · 角

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中点 d2

线段上位于两端点之间、到两端距离相等的那个点;它把线段分成相等的两半,存在且唯一。

依赖 · 尺子 · 距离

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四边形 d2

平面上顺次连结四个点的四条线段围成的图形;四个点是顶点、四条线段是边,不相邻的顶点连线叫对角线。

依赖 · 线段

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相似 d2

两个图形相似,是指顶点之间存在一一对应,使每对对应角相等、每对对应边成同一个比例——形状相同、大小可不同,记作 ∼,那个公共比例叫相似比。

依赖 · SAS 相似 · 距离 · 角

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三角形 d2

不在同一直线上的三个点、两两用线段连结围成的图形;三个点是顶点、三条线段是边,它是最简单的多边形,也是几何里最刚的形状。

依赖 · 线段 · 点线

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d3

圆上两点之间的那一段曲线;圆上两点把圆分成两条弧,较短的是劣弧、较长的是优弧,恰好半圆的两段相等。

依赖 · 圆

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d3

连结圆上两点的线段;过圆心的弦最长,就是直径,任一条弦都把圆分成两段弧。

依赖 · 圆 · 线段

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等腰三角形 d3

有两条边相等的三角形;相等的两条边叫腰、第三边叫底,两腰的夹角是顶角、底边两端的两角是底角,两底角必然相等。

依赖 · 三角形 · 距离

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平行四边形 d3

两组对边分别平行的四边形;由这一个条件,对边相等、对角相等、对角线互相平分随之而来,它是特殊四边形族的根。

依赖 · 四边形 · 平行

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垂直平分线 d3

过线段中点、并且与这条线段垂直的那条直线;它上面的每一点到线段两端的距离都相等。

依赖 · 线段 · 垂直 · 中点

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半径 d3

从圆心到圆上任意一点的线段,也指这条线段的长度;同一个圆里所有半径都相等,正是这个相等把圆「圈」出来。

依赖 · 圆 · 线段

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直角三角形 d3

有一个内角是直角(90°)的三角形;夹直角的两条边叫直角边,直角对面的那条最长边叫斜边,另两个角互余。

依赖 · 三角形 · 垂直

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切线 d3

与圆恰好只有一个公共点的直线;那个唯一的公共点叫切点,切线到圆心的距离恰好等于半径。

依赖 · 圆 · 点线

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梯形 d3

只有一组对边平行的四边形;平行的两边叫上底、下底,另两条不平行的边叫腰,两腰相等的是等腰梯形。

依赖 · 四边形 · 平行

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矩形 d4

四个角都是直角的平行四边形;由此对角线相等且互相平分,长与宽两个尺寸就完全决定了它。

依赖 · 平行四边形 · 角

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菱形 d4

四条边都相等的平行四边形;由此两条对角线互相垂直平分,并且各自平分一组对角。

依赖 · 平行四边形 · 距离

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定理图谱

下面是从公理一路推到面积公式的完整骨架。每个节点的入边指向它所依赖的公理或更早的定理;点开任一节点即可看到这条定理的推导动画。

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