Кіріспе
Сфералық геометрия немесе сфералық геометрия – сфераның екі өлшемді бетінің немесе жоғары өлшемді сфералардың n өлшемді бетінің геометриясы. Астрономия, навигация және геодезия салаларындағы практикалық қолданыстары үшін ұзақ зерттелген сфералық геометрия және сфералық тригонометрияның метрикалық құралдары, көп жағынан Евклидтік жазықтық геометриясы мен тригонометриясына ұқсас, бірақ сонымен қатар маңызды айырмашылықтары бар. Сфера сыртқы түрде 3 өлшемді Евклид кеңістігіне енген бет ретінде (қатты геометрияны зерттеудің бір бөлігі) немесе қоршаған кеңістікке сілтеме жасамай, беттің өзін ғана қолданатын әдістер арқылы зерттелуі мүмкін.
Spherical geometry or spherics is the geometry of the two dimensional surface of a sphere or the n dimensional surface of higher dimensional spheres. Long studied for its practical applications to astronomy, navigation, and geodesy, spherical geometry and the metrical tools of spherical trigonometry are in many respects analogous to Euclidean plane geometry and trigonometry, but also have some important differences. The sphere can be studied either extrinsically as a surface embedded in 3 dimensional Euclidean space (part of the study of solid geometry), or intrinsically using methods that only involve the surface itself without reference to any surrounding space.
Негізгі қағидалар
Жазық (Евклидтік) геометрияда негізгі ұғымдар нүктелер мен (түзу) сызықтар болып табылады. Сфералық геометрияда негізгі ұғымдар нүкте және үлкен шеңбер болып табылады. Алайда, екі үлкен шеңбер жазықтықта екі антиподальді нүктеде қиылысады, бұл Эллиптикалық геометриядағы бір жазықтықтағы сызықтардан өзгеше. Сыртқы үш өлшемді бейнелеуде үлкен шеңбер – шардың центрі арқылы өтетін кез келген жазықтықпен қиылысатын нүкте. Ішкі тәсіл бойынша үлкен шеңбер – геодезиялық, яғни егер олар жеткілікті жақын болса, оның кез келген екі нүктесі арасындағы ең қысқа жол. Немесе, Евклидтің жазық геометриясының аксиомаларына ұқсас (ішкі) аксиомалық тәсілде, «үлкен шеңбер» – бұл анықталмаған ұғым, сонымен қатар үлкен шеңберлер мен анықталмаған «нүктелер» арасындағы негізгі қатынастарды белгілейтін постулаттармен бірге. Бұл Евклидтің нүктені және сызықты анықталмаған бастапқы ұғымдар ретінде қарастырып, олардың қатынастарын аксиоматизациялау әдісімен бірдей. Көп жағдайларда үлкен шеңберлер сфералық геометрияда Евклидтік геометриядағы сызықтар сияқты логикалық рөл атқарады, мысалы, (сфералық) үшбұрыштардың қабырғалары ретінде. Бұл тек аналогия емес; сфералық және жазық геометрия, сондай-ақ басқа геометриялардың бәрін қашықтықты өлшеуге негізделген геометрияның біртұтас жүйесінде біріктіруге болады, онда «сызықтар» ең қысқа жолдарды (геодезиялықтарды) білдіреді. Егер сызықтар осылай анықталған болса, нүктелердің геометриясы және осындай «сызықтар» туралы көптеген мәлімдемелер барлық геометрияларда бірдей дұрыс, және теорияны жоғары өлшемдерге оңай кеңейтуге болады. Дегенмен, оның қолданылуы мен оқытылуы кеңістіктік геометриямен байланысты болғандықтан және жалпылау жазықтықтағы сызықтардың маңызды қасиеттерін жоғалтқандықтан, сфералық геометрия әдетте шардың өзіндегі ештеңеге сілтеме жасау үшін «сызық» терминін қолданбайды. Егер ол кеңістіктік геометрияның бір бөлігі ретінде дамырылса, айналадағы кеңістікте нүктелер, түзу сызықтар және жазықтықтар (Евклидтік мағынада) қолданылады. Сфералық геометрияда бұрыштар үлкен шеңберлер арасында анықталады, нәтижесінде сфералық тригонометрия қарапайым тригонометриядан көптеген жағынан ерекшеленеді; мысалы, сфералық үшбұрыштың ішкі бұрыштарының қосындысы 180 градустан асады.
Ұқсас геометриялармен байланысы
Сфера мен жазықтық геометриялық тұрғыдан өзгеше болғандықтан, (ішкі) сфералық геометрия Евклид емес геометрияның кейбір ерекшеліктерін қамтиды және кейде осылай сипатталады. Дегенмен, сфералық геометрия Евклид емес геометрия деп толыққанды қарастырылмады, себебі ол Евклидтің жазық геометрия аксиомаларының қалған бөлігінен параллельдік постулатының логикалық салдар екендігі туралы ежелгі мәселені шешу үшін жеткіліксіз болды, өйткені оған тағы бір аксиоманы өзгерту қажет. Шешім оның орнына эллиптикалық геометрияда, сфералық геометриямен тығыз байланысты, және гиперболалық геометрияда табылды; осы жаңа геометриялардың әрқайсысы параллельдік постулатқа әртүрлі өзгеріс енгізеді. Осы геометриялардың кез келгенінің қағидаларын кез келген өлшемге кеңейтуге болады. Сфера геометриясына қатысты маңызды геометрия – нақты проективтік жазықтық; ол сферадағы антиподальді нүктелерді (қарсы нүктелер жұптарын) теңестіру арқылы алынады. Жергілікті жағдайда проективтік жазықтықта сфералық геометрияның барлық қасиеттері бар, бірақ оның өзгеше жаһандық қасиеттері бар. Атап айтқанда, ол бағытталмайды немесе бір жақты болып табылады, және сферадан айырмашылығы, үш өлшемді кеңістікте өзімен қиылыспай, бет ретінде бейнелеу мүмкін емес. Сфералық геометрия ұғымдарын сопақ сфераға да қолдануға болады, бірақ кейбір формулаларда шағын түзетулер енгізілуі керек.
Грек антикалық дәуірі
Біздің заманымызға жеткен ең көне математикалық еңбек – б.з.д. IV ғасырдың соңында өмір сүрген Питандық Аутоликтің "Айналмалы сфера туралы" (Περὶ κινουμένης σφαίρας, Peri kinoumenes sphairas) еңбегі. Сфералық тригонометрияны ертедегі грек математиктері, мысалы, грек астрономы және математигі Теодосий Битиниялық, сфера геометриясы туралы "Сфералар" кітабын жазды, сондай-ақ Александриялық Менелай "Сфералық" деп аталатын сфералық тригонометрия туралы кітап жазып, Менелай теоремасын дамытты.
Ислам әлемі
Ислам математигі Әл-Джайяни жазған "Сфераның белгісіз доғалары кітабы" сфералық тригонометрия бойынша алғашқы трактат саналады. Кітапта тікбұрышты үшбұрыштардың формулалары, синустардың жалпы заңы және полярлық үшбұрыш арқылы шар тәрізді үшбұрышты шешу әдістері келтірілген. 1463 жыл шамасында жазылған Региомонтанның "Үшбұрыштар туралы" кітабы Еуропадағы алғашқы таза тригонометриялық еңбек болып табылады. Дегенмен, бір ғасырдан кейін Героламо Кардано оның шарлық тригонометрияға қатысты материалдың көп бөлігінің он екінші ғасырдағы андалузиялық ғалым Жәбір ибн Афлахтың еңбегінен алынғанын айтқан.
Евклидтің постулаттарымен байланысы
Егер "сызық" дегені үлкен шеңбер деп есептелсе, шар геометриясы Евклидтің бес постулатының тек екеуіне ғана бағынады: екінші постулат ("кез келген берілген түзу сызықты түзу бойымен шексіз созуға болады") және төртінші постулат ("барлық тік бұрыштар бір-біріне тең"). Дегенмен, ол қалған үшеуін бұзады. Бірінші постулатқа қайшы ("кез келген екі нүкте арасында оларды жалғайтын жалғыз түзу сызық сегменті болады"), кез келген екі нүкте арасында бірегей ең қысқа жол болмайды (мысалы, шардың солтүстік және оңтүстік полюстері сияқты антиподальдық нүктелер); үшінші постулатқа қайшы, сферада кез келген радиустағы шеңберлер жоқ; және бесінші (параллель) постулатқа қайшы, берілген түзу сызықты ешқашан қиып өтпейтін түзу сызуға болатын нүкте жоқ. Параллель постулатымен эквивалентті мәлімдеме – бұрыштарының қосындысы 180° болатын үшбұрыш бар екендігі. Шар геометриясы параллель постулатты бұзатындықтан, сфера бетінде мұндай үшбұрыш жоқ. Сферадағы үшбұрыштың бұрыштарының қосындысы 180°(1 + 4f) тең, мұнда f – үшбұрышпен қоршалған сфера бетінің үлесі. f-тің кез келген оң мәні үшін бұл шама 180°-тан асып түседі.