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平行

平行性 (parallelism) 雖然是刻畫歐氏幾何的關鍵特徵, 但是證諸於後來的發展與應用,其實正交性 (orthogonality) 更為重要, 反而平行可以視為垂直的推論與應用。 正交 (orthogonal) 是垂直 (perpendicular) 的同義詞(皆為形容詞)。

平行線 (parallel lines) 的意思是同平面且永不相交的直線:

Lines lying in the same plane but never meeting in either direction.
所以空間中的平行線一定要共面且無交點:
coplanar straight lines that do not intersect at any point
空間中不共面的直線當然也不相交(因為兩相交直線決定一平面), 它們稱為歪斜線:
Two noncoplanar lines are called skew lines.
Cube 空間中直線關係的基本模型可參照立方體的稜,如右圖,以直線 \(AB\) 為例:

歐氏幾何的公設系統需要用設準 (postulate) 來保證可作線外一點的平行線:

to construct a line parallel to a given line through a given point
但學校數學因為先認識了垂直,而且早就建立了三角形內角和定理, 所以可以用兩條垂線作平行線,而(平面上)垂線的唯一性則在操作中默認。 由此可以推論,平行線的特徵──也就是兩條直線彼此平行的充分必要條件 (necessary and sufficient condition) 是它們有公垂線 (common perpendicular)。

兩直線 \(L\) 與 \(M\) 平行的符號是 \(L\parallel M\) 或 \(L\,\text{/}\!\!\text{/}\,M\)。 平行線之間的距離 (distance between two parallel lines) 即公垂線段的長度 (length of the perpendicular segment between them), 也就是任一條公垂線與兩條平行線之交點的距離:

The distance between two points of intersection of the parallel lines and a common perpendicular.

公垂線是截線 (transversal) 的特例, 截線是指兩條平行線以外的第三條直線,它與兩平行線各交於一點; 當然,這三條直線在同一平面上。

A transversal is a line that passes through two parallel lines at two points.
截線與兩條平行線形成 8 個角,組成 12 雙成對的角(對頂角不算): 平行線的充要條件之一是同側內角互補,公垂線是這種情形的特例。

不相交的平面叫做平行面 (parallel planes),空間中不相交的直線與平面也稱為平行; 例如,參照前面的立方體視圖, 頂面 (top) 的對角線 \(HF\) 平行於底面 (base) \(ABCD\)。

[語音講解:parallel.mp3]

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Created: Aug 4, 2022
Last Revised: 11/22
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