Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Begriff der Geometrie

David Hilbert verwendet für seine Axiomatische Grundlegung der euklidischen Geometrie (im dreidimensionalen Raum) „drei verschiedene Systeme von Dingen“, nämlich Punkte, Geraden und Ebenen, und „drei grundlegende Beziehungen“, nämlich liegen, zwischen und kongruent.

Über die Natur dieser „Dinge“ und auch ihrer „Beziehungen“ macht Hilbert als Formalist keinerlei Annahmen. Sie sind ausschließlich implizit definiert, nämlich durch ihre Verknüpfung in einem Axiomensystem.

Hilbert soll einmal gesagt haben, man könne statt „Punkte, Geraden und Ebenen“ jederzeit auch „Tische, Stühle und Bierseidel“ sagen; es komme nur darauf an, dass die Axiome erfüllt sind. Allerdings hat er große Mühe darauf verwandt, dass seine „Tische, Stühle und Bierseidel“ all die Gesetzmäßigkeiten erfüllen, die die Geometer der vorhergegangenen zweitausend Jahre für „Punkte, Geraden und Ebenen“ herausgefunden haben. Die Stärke der axiomatischen Vorgehensweise liegt nicht darin, dass sie von der Wirklichkeit absieht. Sie erlaubt es aber, durch Abänderung der Axiome und Analyse ihres Zusammenhangs die logische Struktur, der diese Wirklichkeit folgt, in einer vorher nicht denkbaren Weise zu durchleuchten.

Auf ein gegenüber dem Hilbertschen System abgeschwächtes Axiomensystem ohne Parallelenaxiom lässt sich die absolute Geometrie begründen: Dort gibt es dann entweder keine Parallelen (elliptische Geometrie) oder durch einen Punkt außerhalb einer Geraden beliebig viele Parallelen (hyperbolische Geometrie). Die hyperbolische Geometrie erfüllt Hilberts Axiomengruppen I–III und V, die elliptische Geometrie I, II und V und eine schwächere Version der Kongruenzaxiome (III).

Die Axiome

Zu diesem Zweck verknüpft Hilbert die „Dinge“ und „Beziehungen“ durch 21 Axiome in fünf Gruppen:

Axiome der Verknüpfung (oder Inzidenz; Gruppe I)

Mit diesen Axiomen soll der Begriff liegen implizit definiert werden. Hilbert verwendet hier den Begriff bestimmen oder zusammengehören und eine Reihe anderer Sprechweisen: Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  geht durch Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  verbindet Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegt auf Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ist ein Punkt von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , auf Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  gibt es den Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  usw. Heute spricht man in der Mathematik von Inzidenz: „Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  inzidiert Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur “ (formal: Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur ).

  • I.1. Zwei voneinander verschiedene Punkte Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  bestimmen stets eine Gerade Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .
  • I.2. Irgend zwei voneinander verschiedene Punkte einer Geraden bestimmen diese Gerade.
  • I.3. Auf einer Geraden gibt es stets wenigstens zwei Punkte, in einer Ebene gibt es stets wenigstens drei nicht auf einer Geraden gelegene Punkte.
  • I.4. Drei nicht auf ein und derselben Geraden liegende Punkte Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  bestimmen stets eine Ebene.
  • I.5. Irgend drei Punkte einer Ebene, die nicht auf ein und derselben Geraden liegen, bestimmen diese Ebene.
  • I.6. Wenn zwei Punkte Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  einer Geraden Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  in einer Ebene Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegen, so liegt jeder Punkt von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  in Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .
  • I.7. Wenn zwei Ebenen Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  einen Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  gemeinsam haben, so haben sie wenigstens noch einen weiteren Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  gemeinsam.
  • I.8. Es gibt wenigstens vier nicht in einer Ebene gelegene Punkte.

Die Axiome 1–3 heißen ebene Axiome der Gruppe I und Axiome 4–8 räumliche Axiome der Gruppe I.

Aus diesen Axiomen allein lässt sich zum Beispiel folgern,

  • dass zwei verschiedene Geraden sich in genau einem Punkt oder überhaupt nicht schneiden,
  • dass zwei verschiedene Ebenen sich in genau einer Geraden oder überhaupt nicht schneiden,
  • dass eine Ebene und eine nicht in ihr liegende Gerade sich in genau einem Punkt oder überhaupt nicht schneiden,
  • dass eine Gerade und ein nicht auf ihr liegender Punkt eine Ebene bestimmen,
  • dass zwei verschiedene, sich schneidende Geraden eine Ebene bestimmen.

Axiome der Anordnung (Gruppe II)

Mit diesen wird der Begriff zwischen definiert als eine Beziehung zwischen drei Punkten. Wird von drei Punkten gesagt, dass der eine zwischen den beiden anderen liegt, so ist damit stets ausgedrückt, dass es verschiedene Punkte sind, und dass sie auf einer Geraden liegen. Unter dieser Voraussetzung lassen sich die folgenden Axiome sehr kurz formulieren:

  • II.1. Wenn Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  zwischen Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegt, so liegt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  auch zwischen Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .
  • II.2. Zu zwei Punkten Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  gibt es stets wenigstens einen Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , der zwischen Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegt, und wenigstens einen Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , so dass Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  zwischen Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegt.
  • II.3. Unter irgend drei Punkten einer Geraden gibt es stets einen und nur einen Punkt, der zwischen den beiden anderen liegt.

Auf Grund dieser Axiome lässt sich definieren, was eine Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ist: Die Menge aller Punkte, die zwischen Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegen. (Die Strecken Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  sind nach dieser Definition identisch.) Der Begriff Strecke wird benötigt, um das folgende Axiom zu formulieren:

  • II.4. Es seien Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  drei nicht in gerader Linie gelegene Punkte und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  eine Gerade in der Ebene Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , die keinen dieser drei Punkte trifft; wenn dann die Gerade Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  durch einen Punkt der Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  geht, so geht sie gewiss auch entweder durch einen Punkt der Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  oder durch einen Punkt der Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .
    Dieses Axiom heißt auch das Axiom von Pasch; es hat eine besondere wissenschaftsgeschichtliche Bedeutung, da es bei Euklid nicht vorkommt.

Aus den Axiomen der Verknüpfung (Inzidenz) und der Anordnung folgt bereits, dass zwischen zwei gegebenen Punkten einer Geraden stets noch unendlich viele weitere Punkte liegen, dass die Punkte einer Geraden also in sich dicht liegen. Ferner lässt sich zeigen, dass jede Gerade als Punktmenge auf genau zwei Weisen geordnet werden kann, so dass ein Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  genau dann zwischen den Punkten Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegt, wenn Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  oder Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ist.

Weiter lässt sich folgern, dass jede Gerade (und jeder in einer Ebene gelegene und sich nicht selbst schneidende Streckenzug) eine Ebene in zwei Gebiete aufteilt. Genauso trennt jede Ebene den Raum in zwei Gebiete.

Siehe auch: Ordnung und Seiteneinteilung

Axiome der Kongruenz (Gruppe III)

Die dritte Axiomgruppe definiert den Begriff kongruent als eine Beziehung zwischen Strecken und zwischen Winkeln. Eine andere Bezeichnung hierfür ist gleich oder (bei Strecken) gleich lang. Als Zeichen hierfür verwendet Hilbert Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .

  • III.1. Wenn Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  zwei Punkte auf einer Geraden Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  sind und ferner Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ein Punkt auf derselben oder einer anderen Geraden Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ist, so kann man auf einer gegebenen Seite der Geraden Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  stets einen Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  finden, so dass die Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  der Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  kongruent (oder gleich) ist, in Zeichen: Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .

Von jedem Punkt aus kann also jede beliebige Strecke abgetragen werden. Dass diese Abtragung eindeutig ist, lässt sich aus der Gesamtheit der Axiome I–III beweisen, ebenso, dass AB ≡ AB ist und dass aus Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  stets Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  folgt (Reflexivität und Symmetrie).

  • III.2. Wenn eine Strecke zu zwei anderen Strecken kongruent ist, so sind diese auch zueinander kongruent; formaler: wenn Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , so ist Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .

Es wird also gefordert, dass die Kongruenz-Relation transitiv ist. Damit ist sie eine Äquivalenzrelation.

  • III.3. Es seien Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  zwei Strecken ohne gemeinsame Punkte auf der Geraden Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und ferner Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  zwei Strecken auf derselben oder einer anderen Geraden Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ebenfalls ohne gemeinsame Punkte; wenn dann Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , so ist auch stets Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .

Beim Zusammenfügen (Addieren) von Strecken bleibt die Kongruenz also erhalten.

Ein Winkel wird nun definiert als ein ungeordnetes (!) Paar von Halbgeraden, die von einem gemeinsamen Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ausgehen und nicht zur selben Geraden gehören. (Zwischen Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  wird also nicht unterschieden; auch gibt es nach dieser Definition weder überstumpfe noch gestreckte Winkel.) Es kann auch definiert werden, was das Innere eines Winkels Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ist: Es sind dies all diejenigen Punkte der von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  aufgespannten Ebene, die mit Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  zusammen auf der gleichen Seite von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und mit Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  zusammen auf der gleichen Seite von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegen. Ein Winkel umfasst stets weniger als eine Halbebene.

  • III.4. Es sei ein Winkel Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  in einer Ebene Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und eine Gerade Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  in einer Ebene Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , sowie eine bestimmte Seite von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  auf Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  gegeben. Es bedeute Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  einen Halbstrahl der Geraden Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur ; dann gibt es in der Ebene Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  einen und nur einen Halbstrahl Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , so dass der Winkel Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  kongruent (oder gleich) dem Winkel Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ist und zugleich alle inneren Punkte des Winkels Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  auf der gegebenen Seite von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  liegen.
    In Zeichen: Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .
    Jeder Winkel ist sich selbst kongruent, das heißt, es ist stets Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .

Kurz gesagt bedeutet dies: Ein jeder Winkel kann in einer gegebenen Ebene an einen gegebenen Halbstrahl nach einer gegebenen Seite dieses Halbstrahls auf eine eindeutig bestimmte Weise abgetragen werden.

Es fällt auf, dass die Eindeutigkeit der Konstruktion und die Selbstkongruenz hier (im Gegensatz zu der Kongruenz von Strecken) axiomatisch festgelegt werden muss.

  • III.5. Aus Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  folgt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .

Aus diesem Axiom folgt mit der Selbstkongruenz, dass die Kongruenz für Winkel eine transitive und symmetrische Relation ist.

Nachdem in naheliegender Weise definiert wurde, was unter Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  zu verstehen ist, lässt sich auch das letzte Kongruenzaxiom formulieren:

  • III.6. Wenn für zwei Dreiecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  die Kongruenzen
    Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur 
    gelten, so sind auch stets die Kongruenzen
    Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur 
    erfüllt.

Es handelt sich hier um den Kongruenzsatzsws“, den Hilbert als Axiom setzt. Euklid formuliert hierfür einen „Beweis“ (I L. 1), gegen den Peletarius 1557 erstmals Bedenken formuliert hat. Hilbert hat gezeigt, dass dieser Satz, oder jedenfalls sein wesentlicher Inhalt, als Axiom unentbehrlich ist.

Die übrigen Kongruenzsätze lassen sich hieraus beweisen, ebenso die Addierbarkeit von Winkeln. Es lässt sich eine Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur -Beziehung unter Winkeln definieren, die mit der Kongruenz verträglich ist.

Weiter definiert Hilbert den Begriff Nebenwinkel in naheliegender Weise, und den Begriff rechter Winkel als einen Winkel, der mit seinem Nebenwinkel kongruent ist.

Es lässt sich dann zeigen, dass alle rechten Winkel zueinander kongruent sind. Euklid hatte dies – wohl unnötigerweise – als Axiom gesetzt.

Siehe auch: Kongruenz und präeuklidische Ebene

Axiom der Parallelen (Gruppe IV)

  • IV. (auch Euklidisches Axiom.) Es sei Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  eine beliebige Gerade und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  ein Punkt außerhalb von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur . Dann gibt es in der durch Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  bestimmten Ebene höchstens eine Gerade Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , die durch Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  verläuft und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  nicht schneidet.

Dass es mindestens eine solche Gerade gibt, folgt aus den Axiomen I–III und unmittelbar aus dem daraus hergeleiteten Satz vom Außenwinkel. Diese einzige Gerade Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  heißt die Parallele zu Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  durch Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur .

Dieses Axiom mit seinen Voraussetzungen und Folgerungen ist wahrscheinlich der meistdiskutierte Gegenstand der Geometrie. Siehe dazu auch: Parallelenproblem

Als ein zum Parallelenaxiom äquivalentes Axiom gibt Hilbert an:

    Schneiden zwei Geraden Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  eine dritte Gerade Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  nicht, obwohl diese mit ihnen in der gleichen Ebene liegt, so schneiden sie sich auch untereinander nicht.

Ferner folgt aus den Axiomen I–IV, dass die Winkelsumme im Dreieck zwei Rechte beträgt. Ein Äquivalent zum Parallelenaxiom wird dieser Winkelsummensatz erst, wenn man das Archimedische Axiom (V.1) hinzuzieht.

Unter diesen Voraussetzungen lässt sich das Axiom auch gleichwertig so formulieren (vergleiche dazu Saccheri-Viereck):

Axiome der Stetigkeit (Gruppe V)

  • V.1. (Axiom des Messens oder Archimedisches Axiom). Sind Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  und Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  irgendwelche Strecken, so gibt es eine Anzahl Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  derart, dass das Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur -malige Hintereinanderabtragen der Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  von Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  aus auf den durch Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  gehenden Halbstrahl über den Punkt Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  hinausführt.

Durch jede noch so kleine Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  lässt sich also, wenn man sie nur oft genug aneinandersetzt, jede noch so große Strecke Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  übertreffen. Man könnte auch sagen: Es gibt keine „unendlich kleinen“ oder „unendlich großen“ Strecken; die natürlichen Zahlen reichen aus, um alle Strecken vergleichbar (im Sinne von größer, kleiner, gleich) zu machen.

  • V.2. (Axiom der (linearen) Vollständigkeit) Zu den Punkten einer Geraden können, bei Erhalt ihrer Anordnungs- und Kongruenzbeziehungen, keine weiteren Punkte hinzugefügt werden, ohne dass die unter den vorherigen Elementen bestehenden Beziehungen, die aus den Axiomen I–III folgenden Grundeigenschaften der linearen Anordnung und Kongruenz oder aber das Axiom V.1 verletzt wird.

Die euklidische Geometrie ist also die größtmögliche Geometrie, die den vorhergehenden Axiomen entspricht. Sie ist damit vollständig im gleichen Sinne, wie reelle Zahlen vollständig sind. Deshalb lässt sich auch die analytische Geometrie des Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  als Modell für die euklidische Geometrie verwenden.

Deutlicher wird dies noch in dem – aus V.2 folgenden – „Vollständigkeitssatz“:

  • Die Elemente (Punkte, Geraden und Ebenen) der Geometrie bilden ein System, das bei Aufrechterhaltung sämtlicher Axiome zu keiner Erweiterung durch zusätzliche Punkte, Geraden und/oder Ebenen mehr fähig ist.

Ohne das Archimedische Axiom ist diese Forderung nicht erfüllbar. Vielmehr lässt sich jede Geometrie, die den Axiomen I–IV, aber nicht V.1, entspricht, noch durch zusätzliche Elemente erweitern. Es entstehen dann Nichtstandard-Systeme.

Andererseits ist auch das Vollständigkeitsaxiom V.2 unentbehrlich, es lässt sich nicht aus den Axiomen I–V.1 ableiten. Gleichwohl lässt sich ein großer Teil der euklidischen Geometrie ohne das Axiom V.2 entwickeln.

Siehe auch: Euklidischer Körper

Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit

Relative Widerspruchsfreiheit

Hilbert bewies auch, dass sein Axiomensystem widerspruchsfrei ist, wenn man unterstellt, dass sich die reellen Zahlen widerspruchsfrei begründen lassen.

Als ein Modell für das Axiomensystem dient dann, wie erwähnt, die analytische Geometrie des Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur , also die Menge aller Tripel reeller Zahlen, zusammen mit den üblichen Definitionen für Geraden und Ebenen als lineare Punktmengen, das heißt als Nebenklassen ein- bzw. zweidimensionaler Unterräume. Die Inzidenz in diesem Modell ist das mengentheoretische Enthaltensein und zwei Strecken sind kongruent, wenn sie dieselbe Länge im Sinne des euklidischen Abstands haben.

Unabhängigkeit der Axiome untereinander

Erklärtes Ziel Hilberts war es, sein Axiomensystem so aufzubauen, dass die Axiome voneinander logisch unabhängig sind, dass also keines entbehrlich ist, weil es sich aus den anderen beweisen lässt.

Für die Axiome der Gruppe I und II untereinander lässt sich dies leicht zeigen; ebenso sind die Axiome der Gruppe III untereinander unabhängig. Es geht also darum zu zeigen, dass die Axiome der Gruppen III, IV und V von den übrigen unabhängig sind, sowie um die Unabhängigkeit von V.1 und V.2.

Das Beweisverfahren besteht grundsätzlich darin, ein Modell (oder, mit Hilberts Worten: „ein System von Dingen“) anzugeben, für das alle Axiome gelten mit Ausnahme des als unabhängig nachzuweisenden Axioms A. Offenbar könnte es ein solches Modell nicht geben, wenn A eine logische Folgerung aus den übrigen Axiomen wäre.

Auf diese Weise zeigt Hilbert u. a., dass das Axiom III.5 (der Kongruenzsatz „sws“) unentbehrlich ist.

Die Unabhängigkeit des Parallelenaxioms IV ergibt sich aus dem Nachweis der Existenz von nichteuklidischen Geometrien, die Unabhängigkeit des Archimedischen Axioms V.1 aus der Existenz von Nichtstandard-Systemen, und die Unabhängigkeit des Vollständigkeitsaxioms V.2 z. B. aus der Existenz einer analytischen Geometrie über dem Körper der reellen algebraischen Zahlen. (→ Siehe dazu auch euklidischer Körper)

Es lässt sich zeigen, dass eine Geometrie, welche diese Axiome erfüllt, bis auf Isomorphie eindeutig bestimmt ist; in der Sprache der linearen Algebra gilt für diese Geometrie:

    Eine Geometrie, die Hilberts Axiomensystem erfüllt, ist ein affiner Raum, dessen Vektorraum der Verschiebungen ein dreidimensionaler euklidischer Vektorraum, also isomorph zu Hilberts Axiomensystem Der Euklidischen Geometrie: Die Axiome, Widerspruchsfreiheit und Unabhängigkeit, Literatur  mit einem Skalarprodukt ist.

Literatur

Einzelnachweise

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