Вступ до стереометрії

Стереометрія — це розділ геометрії, в якому вивчаються фігури в просторі.

Основні фігури в просторі: точка, пряма і площина.
Стереометрія містить багато аксіом та теорем, які описують звязок основних фігур та їх властивості.

АКСІОМИ СТЕРЕОМЕТРІЇ

I.  Яка б не була пряма, існують точки, що належать цій прямій, і точки, що не належать їй.
Через будь-які дві точки можна провести пряму, й тільки одну.
II.  Із трьох точок на прямій одна й тільки одна лежить між двома іншими.
III.  Кожний відрізок має певну довжину, більшу від нуля. Довжина відрізка дорівнює сумі довжин частин, на які він розбивається будь-якою його точкою.
IV.  Пряма, що належить площині, розбиває цю площину на дві півплощини.
V.  Кожний кут має певну градусну міру, більшу від нуля. Розгорнутий кут дорівнює . Градусна міра кута дорівнює сумі градусних мір кутів, на які він розбивається будь-яким променем, що проходить між його сторонами.
VI.  На будь-якій півпрямій від її початкової точки можна відкласти відрізок даної дов­жи­ни, й тільки один.
VII.  Від півпрямої на площині, що містить її, можна відкласти в задану півплощину кут із даною градусною мірою, меншою за , і тільки один.
VIII.  Який би не був трикутник, існує трикутник, що дорівнює йому, у даній площині в заданому розміщені відносно даної півпрямої у цій площині.
IX.  На площині через дану точку, що не лежить на даній прямій, можна провести не більш як одну пряму, паралельну даній.

До цих аксіом додаються три аксіоми ­групи С.
С1: Яка б не була площина, існують точки, що належать цій площині, і точки, які не належать їй.
С2: Якщо дві різні площини мають спільну точку, то вони перетинаються по прямій, що проходить через цю точку.
С3: Якщо дві різні прямі мають спільну точку, то через них можна провести площину, й до того ж тільки одну.
Теорема 1. Через пряму і точку, яка не лежить на ній, можна провести площину, й до того ж тільки одну.
Теорема 2. Через пряму можна провести дві різні площини (див. рисунок).

Теорема 3. Якщо дві точки прямої належать площині, то вся пряма належить цій площині.
Отже, можливі три варіанти взаємного розміщення прямої і площини в просторі.
1. Пряма лежить у площині (рисунок зліва).
2. Пряма перетинає площину в даній точці (рисунок справа).

3. Пряма не перетинає площину (див. рисунок). У даному випадку пряма а називається паралельною площині.

Теорема 4. Через три точки, які не лежать на одній прямій, можна провести площину, й до того ж тільки одну.

ПАРАЛЕЛЬНІСТЬ ПРЯМИХ І ПЛОЩИНИ

Дві прямі в просторі називаються паралельними, якщо вони лежать в одній площині й не перетинаються. Прямі, які не лежать в одній площині, називаються мимобіж­ними.
Зверніть увагу: «не лежать в одній площині» і «лежать у різних площинах» — це різні твердження. Наприклад, паралельні прямі a і b лежать у різних площинах і (див. рисунок), але через них можна провести площину, яка міститиме a і b водночас.

Для мимобіжних прямих (див. рисунок) не існує такої площини, у якій вони лежали б водночас.

Можна довести, що всі прямі, які перетинають дві паралельні прямі, лежать в одній площині.
Теорема. Через точку, яка не лежить на даній прямій, можна провести пряму, паралельну даній, і тільки одну.

ОЗНАКА ПАРАЛЕЛЬНОСТІ ПРЯМИХ

Теорема. Дві прямі, паралельні третій прямій, паралельні між собою.
Із цієї теореми випливає, що середини сторін просторового чотирикутника (див. рисунок) є вершинами паралелограма (вершини просторового чотирикутника не лежать в одній площині).

Зверніть увагу: якщо ABCD — просторовий чотирикутник, то його діагоналі AC і BD — мимобіжні прямі.

ОЗНАКА ПАРАЛЕЛЬНОСТІ ПРЯМОЇ І ПЛОЩИНИ

Теорема 1. Якщо пряма, яка не належить площині, паралельна якій-небудь прямій у цій площині, то вона паралельна і самій площині.
Теорема 2. Якщо пряма паралельна площині, то на цій площині знайдеться пряма, яка паралельна даній прямій.
Зверніть увагу: паралельність прямої і площини не означає, що ця пряма паралельна будь-якій прямій на цій площині. Кожна пряма цієї площини буде або паралельна даній, або мимобіжна з нею.

На рисунку: ; ; ; a і b — мимобіжні; .
Теорема 3. Через точку, що не лежить на площині, можна провести безліч прямих, паралельних даній площині, причому всі вони лежать в одній площині (паралельній даній).
Теорема 4. Якщо площина перетинає одну з двох паралельних прямих, то вона перетинає й другу пряму (див. рисунок).
На рисунку .

Дві площини називаються паралельними, якщо вони не перетинаються.

ОЗНАКА ПАРАЛЕЛЬНОСТІ ПЛОЩИН

Теорема 1. Якщо дві прямі однієї площини, які перетинаються й відповідно паралельні двом прямим другої площини (див. рисунок), то ці площини паралельні.

Теорема 2 (обернена). Якщо в одній площині є дві прямі, які перетинаються, і ці прямі паралельні другій площині, то такі площини паралельні.
Зверніть увагу: прямі мають обов’язково перетинатися. Дійсно, в площині може бути скільки завгодно прямих, паралельних прямій a (див. рисунок нижче), а значить, і площині , і при цьому площини і не будуть паралельними.

Теорема 3. Якщо пряма перетинає одну з двох паралельних площин, то вона перетинає й другу (див. рисунок).

Теорема 4. Через дві мимобіжні прямі можна провести паралельні площини (рисунок нижче ­зліва).
Теорема 5. Через точку поза даною площиною можна провести площину, паралельну даній, і до того ж тільки одну (рисунки нижче).

Теорема 6. Якщо дві площини паралельні третій, то вони паралельні одна одній.

ВЛАСТИВОСТІ ПАРАЛЕЛЬНИХ ПЛОЩИН

Теорема 1. Якщо дві паралельні площини перетинаються третьою площиною (див. рисунок), то прямі перетину паралельні.
На рисунку: ; .

Теорема 2. Відрізки паралельних прямих, які містяться між двома паралельними площинами (див. рисунок), рівні. На рисунку:
; ; .

Теорема 3. Нехай площини і паралельні (див. рисунок нижче) і є точка A, яка не лежить у жодній із цих площин. Через точку A проведено довільну пряму. Нехай і — точки перетину прямої з площинами і . Відношення довжини відрізків не залежить від узятої прямої (AY1 : AY2 = AX1 : AX2).