Stereografinen projektio

Stereografinen projektio on geometrinen kuvaus, joka kuvaa koko pallopinnan tasolle yhtä pistettä lukuun ottamatta. Tällöin pallopinnalta valitaan yksi kiinteä piste projektiopisteeksi, ja jokaista muuta pallopinnan pistettä vastaa se piste, jossa tämän projektiopisteen ja annetun pisteen kautta kulkeva suora leikkaa tason.
Tämä kuvaus on määritelty kaikissa pallonpinnan pisteissä paitsi projektiopisteessä. Funktio on määrittelyjoukossaan sileä ja bijektio. Se on myös konforminen, koska siinä kulmat pysyvät alkuperäisen suuruisina. Toisaalta se ei kuvaa tarkasti pinta-alaa, varsinkaan projektiopisteen lähellä.
Intuitiivisesti stereo­grafinen funktio on siis tapa kuvata pallopinta tasolle, mitä tosin ei mitenkään voida tehdä niin, että kaikkien pallopinnan alueiden muodot ja koot säilyisivät. Koska pallopinta ja taso esiintyvät monilla matematiikan aloilla, on stereo­grafisella projektiollakin monia erilaisia sovelluksia: sitä käytetään kompleksianalyysissä, karttaprojektiona, geologiassa ja valokuvauksessa. Käytännössä stereo­grafinen projektio voidaan toteuttaa tietokoneella tai käsin erityisellä tavalla ruudutetulla paperilla, jota sanotaan stereo­grafiseksi verkoksi, lyhemmin stereoverkoksi tai Wulffin verkoksi.

Historia

Stereografisen funktion tunsivat ainakin jo Hipparkhos ja Ptolemaios, mutta mahdollisesti se tunnettiin Egyptissä jo ennen heitä. Sitä nimitettiin alkujaan planisfääriprojektioksi. Ptolemaioksen teos Planisphaerium on vanhin säilynyt kirjallinen lähde, jossa sitä kuvataan. Sitä käytettiin varsinkin tähti­kartoissa.  Erästä tähtikartta­tyyppiä sanotaan nykyisinkin planisfääriksi.
Stereografista projektiota käytetiin 1500-luvulta lähtien yleisesti myös maapallon kartoissa. Tällöin projektio­pisteet olivat päiväntasaajalla. Maapallo jaettiin kahteen pallon­puoliskoon, joiden keskipisteet olivat päivän­tasaajalla vastakkaisilla puolilla maapalloa, ja kumpikin kuvattiin tällä projektiolla omalle ympyrän­muotoiselle alueelleen. Ensimmäinen tällaisen maailman­kartan laati tiettävästi Gualterius Lud vuonna 1507, myöhemmistä vastaavan­laisista kartoista tunnetuimpia ovat Jean Rozen vuonna 1542 ja Rumold Mercatorin vuonna 1595 laatimat. Varsinkin 1600-luvulla projektio oli maailman­kartoissa hyvin suosittu.
François d'Aguilon antoi stereo­grafiselle projektiolle sen nykyisen nimen vuonna 1613 teoksessaan Opticorum libri sex philosophis juxta ac mathematicis utiles ("Kuusi sekä filosofeille että matemaatikoille hyödyllistä kirjaa optiikasta").
Vuonna 1695 Edmond Halley, jota kiinnosti ennen kaikkea projektion käyttö tähtikartoissa, julkaisi ensimmäisen matemaattisen todistuksen sille, että tämä kuvaus on konforminen.  Hän käytti tähän Isaac Newtonin vähän aikaisemmin keksimiä differentiaali- ja integraalilaskennan menetelmiä.

Suorien ja tasojen havainnollistus

Kaikki kolmiulotteisen avaruuden origon kautta kulkevat suorat muodostavat avaruuden, jota sanotaan reaaliseksi projektiiviseksi tasoksi. Tätä avaruutta on vaikea havainnollistaa, koska sitä ei voi upottaa kolmiulotteiseen avaruuteen.
Kuitenkin se voidaan "melkein" havainnollistaa levyllä seuraavaan tapaan. Jokainen origon kautta kulkeva suora leikkaa eteläisen pallonpuoliskon z ≤ 0 pisteessä, joka voidaan stereografisesti projisoida levylle. Vaakasuorat viivat leikkaavat pallopinnan kahdessa pisteessä päiväntasaajalla, joista kumpi tahansa voidaan projisoida tasolle; on ymmärrettävä, että vastakkaiset sivut levyn reunalla esittävät samaa suoraa. Kyseessä on tekijätopologia. Niinpä jokainen origon kautta kulkevien suorien joukko voidaan melkein täydellisesti kuvata pistejoukolle levyllä.
Samoin jokainen origon kautta kulkeva taso leikkaa yksikkökiekon jotakin isoympyrää myöten, jota sanotaan tason jäljeksi. Tämä ympyrä voidaan kuvata kiekon ympyrälle stereografisella projektiolla. Tnäin tämä projektio tekee mahdolliseksi esittää tasoja ympyränkaarina levyllä. Ennen kuin tietokoneita oli käytettävissä, isoympyriden stereografinen projektio johti usein suurisäteisten kaarien piirtämiseen, mihin tarvittiin erityistä piirustusvälinettä. Nykyisin tämä voidaan suorittaa tietokoneen avulla paljon helpommin.
Jokaiseen tasoon liittyy myös yksikäsitteinen suora, tason napa, joka kulkee origon kautta ja on kohtisuorassa tasoa vastaan. Tätä suoraa vastaa piste levyllä samoin kuin jokaista origon kautta kulkevaa suoraa. Niinpä stereografisella projektiolla voidaan myös havainnollistaa tasoja levyn pisteinä. Kun on kuvattavana useita tasoja, niiden napojen kuvaaminen johtaa vähemmän sekavaan kuvaan kuin niiden jälkien kuvaaminen.
Tätä konstruktiota käytetään kristallografiassa ja geologiassa usein suuntatietojen havainnollistamiseen  jäljempänä kuvatulla tavalla.

Muita havainnollistuksia

Stereografista projektiota käytetään myös polytooppien havainnollistamiseen. Schlegelin diagrammisa avaruuden  n-ulotteinen polytooppi projisoidaan n-ulotteiselle pallolle, joka sen jälkeen projisoidaan stereografisesti avaruudelle .  Kutistaminen :sta :ään voi tehdä polytoopin helpommaksi havainnollistaa ja ymmärtää.

Stereografinen projektio karttaprojektiona

Kartografian perusongelma on, että kuvattiinpa pallopinta tasolle millä tavalla tahansa, eivät kartassa voi sekä kulmat (ja näin ollen alueiden muodot) että pinta-alojen suhteet näkyä oikein. On kuitenkin olemassa karttaprojektioita, joissa pinta-alojen suhteet ovat oikein, ja toisia, joissa kulmat ovat oikein. Edelliset soveltuvat varsinkin tilastollisiin karttoihin, jälkimmäisiä navigointiin.
Stereografinen projektio kuuluu jälkimmäiseen luokkaan. Jos projektion keskukseksi valitaan pohjois- tai etelänapa, sillä on lisäetuna, että kaikki pituuspiirit näkyvät navasta lähtevinä suorina viivoina, kaikki leveyspiiri taas napaa ympäröivinä saman­keskeisinä ympyröinä. Nykyään tätä projektiota käytetäänkin ennen kaikkea napaseutujen kartoissa.  
Stereografisessa projektiossa kaikki pallopinnan ympyrät kuvautuvat ympyröiksi paitsi projektio­pisteen kautta kulkevat suoriksi. Tämän vuoksi se soveltuu myös Kuun ja vieraiden planeettojen karttoihin, joissa kraatterit ovat tyypillisiä piirteitä. USGS onkin käyttänyt tätä projektiota Kuun, Merkuriuksen ja Marsin kartoissa.

Valokuvaus

Jotkin kalansilmälinssit käyttävät stereografista projektiota ottaakseen laajakulmaisia näkymiä. Verrattuna vanhemman tyyppisiin kalansilmälinssehin, joissa käytetään oikeapintaista projektiota, lähellä reunoja olevat alueet säilyttävät muotonsa ja suorat viivat kaareutuvat vähemmän. Steregrafiset kalansilmä­linssit ovat yleenä kuitenkin kalliimpia valmistaa.  Kuvien uudelleen­muotoiluun tarkoitetuilla ohjelmilla kuten Panotools voidaan myös oikeapintaisella kalan­silmällä otetut kuvat automaattisesti muuntaa stereografiseen projektioon.
Stereo­grafista projektiota on käytetty pallomaisten näkymien kuvaamiseen. Tämä johtaa ilmiöihin, joita sanotaan pieneksi planeetaksi (kun projektion keskus on nadiirissa) tai putkeksi (kun projektion keskus on zenitissä).
Sen, että stereografista projektiota käytetään näkymien kuvaamiseen enemmän kuin muita taso­projektioita, katsotaan johtuvan siitä, että projektion konformisuuden vuoksi siinä muodot säilyvät.