Elliptinen geometria

Elliptinen geometria on esimerkki geometriasta, jossa Eukleideen paralleelipostulaatti ei päde. Sen sijaan oletetaan, samoin kuin pallogeometriassa, että yhdensuuntaisia suoria ei ole, vaan mitkä tahansa kaksi suoraa leikkaavat toisensa. Kuitenkin toisin kuin pallogeometriassa, jossa "suorat" (pallopinnan isoympyrät) leikkaavat toisensa kahdessa pisteessä, elliptisessä geometriassa niiden yleensä oletetaan leikkaavan toisensa vain yhdessä pisteessä. Tämän vuoksi tässä artikkelissa käsiteltyä elliptistä geometriaa sanotaan toisinaan "yksinkertaiseksi elliptiseksi geometriaksi", pallogeometriaa sen sijaan "kaksinkertaiseksi elliptiseksi geometriaksi".
Elliptisen geometrian kehittäminen 1800-luvulla johti muidenkin epäeuklidisten geometrioiden, muun muassa hyperbolisen geometrian kehittymiseen.
Elliptinen geometria eroaa monessa suhteessa klassisesta euklidisesta tasogeometriasta. esimerkiksi kolmion sisäkulmien summa on aina suurempi kuin 180°.
Määritelmiä.
Elliptisessä geometriassa kaksi annettuun suoraan nähden kohtisuorassa olevaa eli tämän suoran normaalia leikkaavat aina toisensa. Itse asiassa kaikki annetun suoran normaalit toisella puolella leikkaavat toisensa samassa pisteessä, jota sanotaan tämän suoran "absoluuttiseksi navaksi". Myös toisella puolella alkuperäistä suoraa nämä normaalit leikkaavat toisensa. Mutta toisin kuin pallogeometriassa, nämä navat suoran kummallakin puolella ovat sama piste. Näin on, koska elliptisessä geometriassa ei ole antipodaalisia pisteitä. Tämä saadaan aikaan jäljempänä selitetyn hyperpallomallin avulla siten, että pallopinnalla toistensa antipodissa olevat pisteet ajatellaan samastetuksi keskenään, toisin sanoen niitä vastaa elliptisessä geometriassa sama piste. Näin menetellään, jotta elliptisessä geometriassakin pätisi klassisen geometrian aksiooma, jonka mukaan minkä tahansa kahden pisteen kautta kulkee yksi ja vain yksi suora.
Jokaista pistettä vastaa "absoluuttinen polaarisuora", jonka absoluuttinen napa se on. Jokainen tämän polaarisuoran piste muodostaa "absoluuttisen konjugaattiparin" tämän navan kanssa. Tällaista pisteparia sanotaan "ortogonaaliseksi", ja niiden väinen etäisyys on "kvadrantti".
Kahden pisteen väilinen etäisyys on suoraan verranollinen niiden absoluuttisten polaarisuorien väliseen kulmaan.
H. S. M. Coxeterin mukaan nimitys "elliptinen" on jossakin määrin harhaanjohtava. Elliptisellä geometrialla ei ole suoranaisesti mitään tekemistä ellipsi-nimisen käyrän kanssa, ainoastaan eräänlainen kaukaa haetulta vaikuttava analogia. Kartioleikkauksista ellipsi ja hyperbeli eroavat toisistaan siinä, että edellisellä ei ole asymptootteja, kun taas hyperbelillä niitä on kaksi. Samaan tapaan epäeuklidista tasoa sanotaan hyperboliseksi, jos sen suoriin kuuluu kaksi äärettömän kaukaista pistettä, ja elliptiseksi, jos tällaisia pisteitä ei ole.
Kaksiulotteinen elliptinen geometria.
Elliptinen taso.
Elliptinen taso on sama kuin projektiivinen taso varustettuna tietyllä tavalla määritellyllä metriikalla. Kepler ja Desargues määrittelivät projektiivisen tason asettamalla gnomonisen projektion avulla jokaista tason σ pistettä vastaamaan tietyn pisteen tasoa sivuavalla puolipallolla. Kun O on puolipallon keskus, jokaista tason σ pistettä P vastaa suora "OP", joka leikkaa puolipallon, ja jokainen suora "L" ⊂ σ määrittelee tason "OL", joka leikkaa puolipallon kahtia jotakin isoympyrää pitkin. Puolipalloa rajoittaa O:n kautta kulkeva σ:n kanssa yhdensuuntainen taso. Mikään normaali tason σ suora ei vastaa tätä tasoa, mutta ajatellaan, että tasoon lisätään äärettömän kaukainen suora ja asetetaan se vastaamaan mainittua tasoa. Kun jokaista suoraa tässä σ:n laajennuksessa vastaa O:n kautta kulkeva taso ja minkä tahansa kahden sellaisen tason leikkaus on jokin O:n kautta kulkeva suora, voidaan päätellä, että mitkä tahansa kaksi tämän laajennuksen suoraa leikkaavat. Näin ollen tämä laajennus toteuttaa projektiivisen geometrian aksiooman, jonka mukaan kaikki tason suorat leikkaavat toisensa.
Elliptiselle tasolle asetetaan metriikka määrittelemällä, että tason σ kahden pisteen "P" ja "Q" välinen "elliptinen etäisyys" on kulma "POQ", yleensä radiaaneina mitattuna. Arthur Cayley pani elliptisen geometrian tutkimuksen alulle kirjoittaessaan tutkielman "On the definition of distance". Tätä geometrian abstrahointia jatkoivat myöhemmin Felix Klein ja Bernhard Riemann, mikä johti epäeuklidiseen ja Riemannin geometriaan.
Elliptinen ja euklidinen geometria.
Euklidessa geometriassa kuviota voidaan skaalata eli sen kokoa voidaan muuttaa mielivaltaisesti suuremmaksi tai pienemmäksi, jolloin saatu kuvio on yhdenmuotoinen alkuperäisen kanssa, toisin sanoen sillä on sen kanssa yhtä suuret kulmat ja vastaavien pisteiden välisten etäisyyksien suhteet ovat samat. Elliptisessä geometriassa on toisin. Mallintamalla elliptistä tasoa pallopinnalla voidaan todeta esimerkiksi, että minkä tahansa kahden pisteen välinen etäisyys on pienempi kuin puolet pallon ympärysmitasta (koska toistensa antipodissa olevat pisteet on samastettu). Janaa ei sen vuoksi voida suurentaa kuinka paljon tahansa. Elliptisessä avaruudessa asuva geometrikko voisi periaatteessa avaruuden ominaisuuksia mittaamalla määrittää mitta-asteikon, joka olisi itse avaruuden ominaisuus. Paljon pienemmillä etäisyyksillä avaruus olisi kuitenkin likipitäen "tasainen" eli sen geometria olisi likipitäen euklidinen, ja kuvioita voidaan skaalata suuremmiksi tai pienemmiksi niin, että ne pysyvät likipitäen yhdenmuotoisina alkuperäisten kanssa.
Suuri osa euklidisen geometrian tuloksista pätee sellaisenaan myös elliptisessä geometriassa. Esimerkiksi siinäkin pätevät Eukleideen ensimmäinen ja neljäs postulaatti: kahden pisteen kautta kulkee aina yksi ja vain yksi suora, ja kaikki suorat kulmat ovat yhtä suuret. Sen sijaan kolmas postulaatti, jonka mukaan on aina mahdollista piirtää ympyrä, kun keskipiste ja ympyrän säde on annettu, ei päde, mikäli oletetaan että ympyrän säde voi olla mikä tahansa positiivinen reaaliluku. Sen sijaan sekin pätee, jos edellytetään, että säteen on oltava yhtä suuri kuin jonkin annetun janan pituus. Näin ollen kaikki Eukleideen geometrian tulokset, jotka seuraavat näistä kolmesta postulaatista, pätevät myös elliptisessä geometriassa, esimerkiksi "Elementa"-teoksen I kirjan 1. lause: jos jana on annettu, voidaan konstruoida tasasivuinen kolmio, jonka kantana tämä jana on.
Sekä elliptisessä että euklidisessa geometriassa avaruus on jatkuva, homogeeninen ja isotrooppinen eikä sillä ole reunoja. Isotropian takaa neljäs postulaatti, jonka mukaan kaikki suorat kulmat ovat yhtä suuria. Esimerkkinä homogeenisuudesta voidaan mainita, että Eukleideen lauseen I.1 mukainen tasasivuinen kolmio voidaan muodostaa mihin paikkaan tahansa, ei ainoastaan jollakin erityisellä tavalla määrättyyn paikkaan. Reunojen puuttuminen seuraa toisesta postulaatista, jonka mukaan janaa voidaan aina jatkaa.
Yksi huomattava ero elliptisen ja euklidisen geometrian välillä on sen sijaan se, että elliptisessä geometriassa kolmion sisäkulmien summa on suurempi kuin 180 astetta. Käyttämällä pallopintaa mallina voidaan esimerkiksi muodostaa kolmio, jonka kärjet ovat pisteissä, joissa avaruuden kolme positiivista karteesista koordinaattiakselia leikkaavat pallon pinnan, jolloin kolmion kaikki kulmat ovat 90 astetta ja niiden summa näin ollen 270 astetta. Tarpeeksi pienillä kolmiolla kulmien summan ja 180 asteen erotus voidaan kuitenkin saada mielivaltaisen pieniksi.
Myöskään Pythagoraan lause ei päde elliptisessä geometriassa. Esimerkiksi edellä mainitussa kolmiossa, jonka kaikki kulmat ovat suoria, kaikki sivut ovat yhtä pitkiä eivätkä ne näin ollen toteuta yhtälöä formula_1. Pythagoraan tulos saadaan kuitenkin raja-arvona pienillä suorakulmaisilla kolmiolla niiden sivujen pituuksien lähestyessä nollaa.
Ympyrän kehän ja sen pinta-alan suhde on pienempi kuin euklidisessa geometriassa. Yleensäkään kuvioiden pinta-ala ja kappaleiden tilavuus eivät ole suoraan verrannollisia niiden osien välisten etäisyyksien toiseen tai kolmanteen potenssiin.
Kolmiulotteinen elliptinen avaruus.
"Huomautus: Tässä osiossa termi "elliptinen avaruus" viittaa nimenomaan kolmiulotteiseen elliptiseen geometriaan, toisin kuin edellisessä osiossa, joka käsittelee kaksiulotteista elliptisistä geometriaa. Tämän avaruuden ominaisuuksien selventämiseen käytetään kvaternioita."
Elliptinen avaruus voidaan konstruoida samaan tapaan kuin kolmiulotteinen vektoriavaruus: ekvivalenssiluokkien avulla. Tähän käytetään pallopinnan isoympyröiden suunnattuja kaaria. Vektorilaskennassa suunnatut janat ovat ekvivalentteja, ekvipollentteja, jos ne ovat yhdensuuntaiset, yhtä pitkät ja samansuuntaiset, ja nämä ekvivalenssiluokat muodostavat vektoriavaruuden. Samaan tapaan isoympyröiden suunnatut kaaret ovat ekvipollentit, jos ne ovat yhtä pitkät, samoin päin suunnatut ja sijaitsevat samalla isoympyrällä. Nämä ekvivalenssiluokat muodostavatkin elliptisen avaruuden.
Elliptisen avaruuden rakennetta voidaan tutkia William Rowan Hamiltonin vektorialgebran avulla. Hän luonnehti pallopinnan alueeksi, jonka muodostavat miinus yhden neliöjuuret. Tällöin Eulerin kaavalle analoginen yhtälö formula_2 (missä "r" on pallopinnalla) esittää siinä tasossa olevaa isoympyrää, johon sisältyvät pisteet 1 ja "r". Vastakkaisia pisteitä "r" ja -"r" vastaavat vastakkaissuuntaiset ympyrät. Pisteiden θ ja φ välinen kaari on ekvipollentti jonkin pisteiden 0 ja φ – θ välisen kaaren kanssa. Elliptisessä avaruudessa kaaren pituus on pienempi kuin π, joten kaaret voidaan parametroida θ:n avulla, joka on joko välillä [0, π) tai välillä (–π/2, π/2].
Jos formula_3 ja formula_4, on formula_5 Tällöin sanotaan, että "z":n "moduuli" eli "normi" on 1 (Hamilton nimitti sitä "z":n "tensoriksi". Mutta koska "r":n arvot muodostavat pallopinnan 3-avaruudessa, muodostavat exp(θ r):n arvot 4-avaruudessa olevan pallopinnan formula_6, jota sanotaan 3-pallopinnaksi, koska se on kolmiulotteinen. Hamilton antoi näin muodostetamalleen algebralle nimen kvaterniot, ja niistä tuli pian hyödyllinen ja arvostettu matematiikan työkalu. Sen neliulotteinen avaruus voidaan muodostaa napakoordinaateilla formula_7 missä "t":n arvoina ovat positiiviset reaaliluvut.
Kun maapallon pintaa tai taivaanpalloa tutkitaan trigonometrisesti, kolmioiden sivut ovat pallon isoympyröitä. Kvaternioiden ensimmäinen menestyksellinen sovellus oli pallotrigonometrian palauttaminen algebraan. Hamilton nimitti versoreiksi kvaternioita, joiden normi on 1.
Kun piste "r" on annettu, versorit
formula_8
muodostavat "elliptisen suoran". Pisteiden formula_9 ja 1 välinen etäisyys on formula_10. Jokaiselle versorille formula_11 tämä etäisyys on se θ, jolla formula_12, sillä tästä kaavasta saadaan minkä tahansa kvaternion skalaariosa.
"Elliptistä liikettä" esittää kvaternioiden välinen kuvaus
formula_13, missä "u" ja "v" ovat vakioversoreita. Pisteiden väliset etäisyydet ovat samat kuin niiden kuvapisteiden välinen etäisyys elliptisessä liikkeessä. Siinä tapauksessa, että "u" ja "v" ovat toistensa kvaterniokonjugaatteja, tämä liike on avaruuden rotaatio, ja niiden vektoriosa muodostaa rotaatioakselin. Tapauksessa "u" = 1 elliptistä liikettä sanotaan oikeanpuoleiseksi Cliffordin siirrokseksi eli "parataksiaksi". Tapauksessa "v" = 1 on kyseessä vasemmanpuoleinen Cliffordin siirros.
Versorin "u" läpi kulkevat "elliptiset suorat" voivat olla muotoa
formula_14 tai formula_15, missä "r" on vakio. 
Ne ovat "u":n oikean- ja vasemmanpuoleiset Cliffordin siirrot pitkin pisteen 1 kautta kulkevaa elliptistä suoraa. "Elliptinen avaruus" saadaan formula_6:sta samastamalla toistensa antipodissa olevat pisteet.
Elliptiseen avaruuteen liittyy erityiset sruktuurit, joita sanotaan Cliffordin yhdensuuntaisiksi ja Cliffordin pinnoiksi.
Elliptisen avaruuden versoripisteet voidaan kuvata Cayleyn muunnoksella avaruuteen formula_17, jolloin avaruudelle saadaan vaihtoehtoinen esitysmuoto.
Korkeampiulotteiset avaruudet.
Hyperpallomalli.
Hyperpallomalli on pallomallin yleistys korkeampiin ulottuvuuksiin. Tässä mallissa "n"-ulotteisen elliptisen avaruuden pisteet ovat yksikkövektoreiden formula_18 ja formula_19 muodostamia pareja avaruudessa formula_20, toisin sanoen vastakkaisten pisteiden pareja "n" + 1-ulotteisen avaruuden yksikköpallolla eli "n"-ulotteisella hyperpallolla. Tässä mallissa suoria vastaavat isoympyrät, toisin sanoen hyperpallon ja origon kautta kulkevan "n"-ulotteisen hypertason leikkausviivoja.
Projektiivinen elliptinen geometria.
Elliptisen geometrian projektiivisessa mallissa "n"-ulotteisen reaalisen projektiivisen avaruuden pisteitä käytetään mallin pisteinä. Näin saadaan mallinnetuksi abstrakti elliptinen geometria, joka tunnetaan myös projektiivisena geometriana.
"n"-ulotteisen projektiivisen avaruuden pisteet voidaan samastaa "n" + 1-ulotteisen avaruuden origon kautta kulkevien suorien kanssa, ja ne voidaan esittää, joskaan ei yksikäsitteisesti, nollasta poikkeavina vektoreina avaruudessa formula_21, kun sovitaan, että vektorit formula_11 ja formula_23 vastaavat aina sama pistettä, olipa formula_24 mikä nollasta poikkeava reaaliluku tahansa. Kahden pisteen välinen etäisyys tässä avaruudessa on
formula_25
toisin sanoen kahden pisteen välinen etäisyys on niitä avaruudessa formula_21 vastaava kulma. Jos vektorit "u" ja "v" korvataan toisilla, jotka saadaan kertomalla nämä skalaarisilla vakioilla formula_24 ja formula_28, tämä kulma pysyy ennallaan, ja näin ollen projektiivisen avaruuden pisteiden välinen etäisyys tällä tavoin on hyvin määritelty.
Eräs projektiivisen geometrian huomattava ominaisuus on, että jos ulottuvuuksien lukumäärä "n" on parillinen, kuten tason tapauksessa, geometria on ei-orientoituva. Täten siinä ei ole eroa myötä- ja vastapäivään suoritettujen rotaatioiden välillä, sillä ne samastetaan keskenään.
Stereografinen malli.
Sama avaruus, joka saadaan hyperpallomallin avulla, saadaan mallinnetuksi myös stereografisella projektiolla. Käytetään merkintää formula_29 avaruudelle formula_30, toisin sanoen "n"-ulotteiselle avaruudelle, johon on lisätty yksi äärettömyydessä oleva piste. Tässä avaruudessa formula_29 voidaan määritellä metriikka, "kordaalinen" eli jänteisiin perustuva metriikka seuraavasti:
formula_32
missä "u" ja "v" ovat mitkä tahansa formula_33:n vektoria ja formula_34 tavallinen euklidinen normi. Määritellään lisäksi
formula_35
Tuloksena formula_29:stä saadaan metrinen avaruus, joka esittää pisteiden välistä etäisyyttä niitä hyperpallomallissa vastaavien pisteiden välistä jännettä pitkin, jolle se voidaan kuvata bijektiivisesti stereografisella projektiolla. Jos sen sijaan käytetään metriikkaa
formula_37,
saadaan täysin pallogeometrian mukainen malli.
Elliptinen geometria saadaan tästä samastamalla pisteet "u" ja -"u" ja määrittelemällä, että tämän pisteen etäisyys "v" on pienempi "v":n etäisyyksistä näistä kahdesta pisteestä.
Ristiriidattomuus.
Koska elliptinen geometria voidaan mallintaa esimerkiksi euklidisen avaruuden pallomaisella aliavaruudella, tästä seuraa, että jos euklidinen geometria itsessään on ristiriidaton, samoin on elliptisen geometrian laita. Tästä seuraa, että paralleelipostulaattia ei ole mahdollista todistaa Eukleideen geometrian neljän muun postulaatin avulla.
Tarski on todistanut, että euklidinen alkeisgeometria on täydellinen teoria eli on olemassa algoritmi, jonka avulla mistä tahansa väitteestä voidaan osoittaa, onko se tosi vai epätosi. (Tämä ei ole vastoin Gödelin epätäydellisyyslausetta, sillä euklidinen geometria ei sisällä niin suurta määrää Peanon aritmetiikaa, että lausetta voitaisiin soveltaa siihen. Tästä seuraa, että myös elliptinen alkeisgeometria on sisäisesti ristiriidaton ja täydellinen teoria.