Hyperbolinen geometria

geometrian osa-alue

Hyperbolinen geometria käsittelee kaksiulotteista, negatiivisesti kaarevaa pintaa. Pinta muistuttaa muodoltaan hieman satulaa, ja joskus puhutaankin tässä yhteydessä satulapinnasta. Toinen esimerkkipinta on torvi. Monien ominaisuuksien puolesta hyperbolisen geometrian "vastakohtana" voidaan pitää pallo- eli elliptistä geometriaa, joilloin euklidinen geometria on näiden kahden väliin jäävä rajatapaus.

Hyperbolic triangle.svg

Hyperbolinen geometria eroaa monin tavoin perinteisestä euklidisesta geometriasta, joka käsittelee ääretöntä tasaista tasoa. Hyperbolisella pinnalla kolmion kulmien summa on esimerkiksi aina vähemmän kuin 180 astetta, ja suoralle voidaan yksittäisen pisteen läpi piirtää ääretön määrä sille yhdensuuntaisia suoria.

Hyperbolinen pinnan voi yleistää myös kahta useampaan ulottuvuuteen.[1]

Yhdensuuntaiset suoratMuokkaa

Koska hyperbolisessa geometriassa voidaan suoran ulkopuolisen pisteen kautta piirtää useampi kyseisen suoran kanssa yhdensuuntainen suora, ei euklidisen geometrian paralleeliaksiooma ole voimassa. Tästä seuraa, että monet euklidisen geometrian lauseet yhdensuuntaisille suorille eivät päde hyperbolisessa geometriassa. Muun muassa suorien m ja n ei täydy olla yhdensuuntaisia keskenään, vaikka ne olisivat molemmat yhdensuuntaisia suoran l kanssa. Lisäksi suorasta l vakioetäisyydellä olevat pisteet eivät muodosta suoraa hyperbolisessa geometriassa.

Euklidisessa geometriassa kaikki yhdensuuntaisten suorien väliset etäisyysjanat   ovat kohtisuorassa eli suoran ja etäisyysjanan välinen kulma on 90°. Hyberpolisessa geometriassa kulmien suuruus vaihtelee.

KolmiotMuokkaa

Jos suorakulmaisessa kolmiossa a ja b ovat kateetteja ja c hypotenuusa, niin hyperbolisessa geometriassa pätee yhtälö:

 

missä funktio cosh on hyperbolinen funktio, jonka vastine trigonometriassa on cos-funktio. Kaikilla trigonometrisillä funktioilla on vastaavat funktiot hyperbolisessa geometriassa.

Euklidisen geometrian tuloksille on olemassa vastineet hyperbolisessa geometriassa. Olkoon hyperbolisen kolmion sivut "a", "b" ja "c" ja niitä vastaavat kulmat "A", "B" ja "C". Silloin on voimassa Sinilause:

 

sekä Kosinilause:

 

tai

 

Erikoistapauksessa kun C on suorakulma, niin kosinilauseesta seuraavat yhtälöt:

 


 


 

Euklidisella tasolla kolmion kulmien summa on aina 180° ( radiaaneissa  ), mutta hyperbolisessa kolmioissa kulmien summa on aina alle 180°. Hyperbolisessa geometriassa ideaalikolmioksi kutsutaan kolmiota, jonka kulmien summa on 0°.

Ympyrät, levyt ja pallotMuokkaa

Hyperbolisessa geometriassa ympyrän piiri on suurempi kuin  , missä   on kyseisen ympyrän säde.

Olkoon  , missä   on pinnan Gaussin kaarevuus. Tällöin ympyrän piiri saadaan kaavasta:

 

Suljetun kiekon pinta-ala on taas:

 

Pallon pinta-ala:

 

Suljetun kuulan tilavuus:

 

(n-1)-ulotteinen pallon mitta:

 

missä

 

ja   on gammafunktio.

Suljetun n-ulotteisen kuulan mitta:

 

HistoriaMuokkaa

Kahden tuhannen vuoden ajan monet matemaatikot, kuten Proklos, Ibn al-Haitham, Omar Khaijam, Nasir al-Din Tusi, Witelo, Gersonides, Alfons, ja myöhemmin Saccheri, John Wallis, Lambert ja Legendre yrittivät todistaa paralleeliaksioomaa. Koska heidän yrityksensä epäonnistuivat, alkoivat matemaatikot tutkia tilannetta, jossa paralleeliaksiooma ei ole voimassa. Aluksi Gauss, Bolyai ja Lobatševski kehittivät epäeuklidisen geometrian aksiomaattisesti, ilman analyyttisiä malleja. Perusteet hyperbolisen geometrian analyyttiselle tulkinnalle loivat Euler, Monge ja Gauss, ja vuonna 1837 Lobatševski ehdotti negatiivisesti kaarevaa pintaa malliksi hyperboliselle geometrialle.

Hyperbolisen geometrian mallejaMuokkaa

Hyperbolisessa geometriassa on neljä yleisesti käytettyä mallia: Kleinin malli, Poincarén kiekkomalli, Poincarén puoli-taso –malli ja Hyperboloidimalli, joista kolme ensimmäistä ovat Beltramin kehittämiä, eivätkä Kleinin ja Poincarén, joiden mukaan mallit on nimetty.

LähteetMuokkaa

Aiheesta muuallaMuokkaa

 
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Hyperbolinen geometria.
  1. Schroderus, Riikkka: Hyperboolisesta geometriasta. Solmu, 3/2015. Helsingin yliopiston Matematiikan ja tilastotieteen osasto.