Ei geometrikko viivoitinta tarvitse

Geometrisissa konstruktioissa tai piirustuksissa sallitut työkalut ovat olleet Eukleideen ajoista lähtien viivoitin ja harppi. Viivoittimella voidaan piirtää suora, kun kaksi sen pistettä tunnetaan. Harpilla voidaan piirtää ympyrä, kun sen keskipiste ja yksi kehäpiste tunnetaan. Suorien ja ympyröiden leikkauspisteet voivat olla pohjana uusille piirroksille, so. uudelle viivoittimen tai harpin käytölle. Muunlainen käyttö, kuten janan pituuden siirtäminen uuteen paikkaan harpin kärkien välissä tai merkintöjen tekeminen viivoittimen reunaan ei ole sallittua. Janan siirto harpin kärkien välissä voidaan kuitenkin sallia, koska se voidaan tehdä myös edellä mainituilla perusoperaatioilla, tosin hieman pidemmällä konstruktiolla.

Viivoitinkin on kuitenkin tarpeeton työkalu, kun sovitaan, että suora tunnetaan, kun kaksi sen pistettä tunnetaan, eikä suoraa pyritä varsinaisesti piirtämään. Kaikki geometriassa tarvittavat konstruktiot voidaan nimittäin tehdä yksinomaan harppia käyttäen. Esimerkkinä ympyrän piirtäminen annettu piste $K$ keskipisteenä ja annettu jana $AB$ säteenä siirtämättä sädettä harpin kärkien välissä:

$K$-keskisen ympyrän piirtäminen säteenä jana $AB$
siirtämättä sädettä harpin kärkien välissä;
piirtämisjärjestys: vihreä, sininen, punainen.

Harpin riittävyys perustuu käänteissäteiseen muunnokseen eli ympyräpeilaukseen. Tässä tasoon asetetaan kiinteä ympyrä (keskipisteenä $K$, säteenä $r$) ja mielivaltaisen pisteen $P$ kuvapiste $P'$ sijaitsee säteellä $KP$ siten, että etäisyyksille pätee \[|KP||KP'| = r^2.\] Poikkeuksena on piste $K$, jolla ei kuvapistettä ole. Puute voidaan poistaa liittämällä tasoon yksikäsitteinen äärettömän kaukainen piste (johon voidaan ajatella päädyttävän siirtymällä äärettömän kauaksi mihin tahansa suuntaan) ja asettamalla tämä $K$:n kuvaksi. Kuvapiste $P'$ voidaan määrittää yksinomaan harppia käyttäen:

Kuvapisteen $P'$ määritys käänteissäteisessä muunnoksessa; piirtämisjärjestys
vihreä, sininen, punainen. Konstruktion pätevyyden voi osoittaa katkoviivojen
muodostamien yhdenmuotoisten kolmioiden avulla.

Käänteissäteinen muunnos kuvaa yleensä ympyrän ympyräksi. Poikkeuksena ovat pisteen $K$ kautta kulkevat ympyrät, jotka kuvautuvat suoriksi. Suorat muunnos kuvaa pisteen $K$ kautta kulkeviksi ympyröiksi, poikkeuksena pisteen $K$ kautta kulkevat suorat, jotka kuvautuvat itselleen. Suoraa voidaankin ajatelle ympyränä, jonka säde on ääretön. Muunnoksen kiinteän ympyrän pisteet ovat omia kuviaan.

Käänteissäteisen muunnoksen käänteiskuvaus on se itse, ts. kuvapisteen kuvapiste on alkuperäinen piste. Tähän viitataan sanomalla, että käänteissäteinen muunnos on involutorinen. Piste $P$ ja sen kuvapiste $P'$ ovat siten symmetrisessä asemassa ja niitä kutsutaan peilipisteiksi muunnoksen kiinteän ympyrän suhteen.

GeoGebra-ohjelmisto tarjoaa työkalun ympyräpeilausten tekemiseen: reflect in circle / peilaus ympyrän suhteen. Esimerkkinä muutamien kuvioiden peilikuvat:

Kuvio ja sen peilikuva käänteissäteisessä muunnoksessa,
kukin pari omalla värillään.

Käänteissäteisessä muunnoksessa mikä tahansa suorista ja ympyröistä muodostuva geometrinen kuvio voidaan asettaa siten, että sen suorat ja ympyrät ja näiden osat kuvautuvat (peilautuvat) ympyröiksi tai ympyrän kaariksi. Kuva voidaan määrittää yksinomaan harpilla. Geometrisissa konstruktioissa tarvittavat perusoperaatiot (leikkauspisteiden määritys, ympyrän piirtäminen keskipisteen ja kehäpisteen avulla, kolmen annetun pisteen kautta kulkevan ympyrän piirtäminen) kohdistetaan tällöin vain ympyräkaarten muodostamaan kuvioon. Voidaan osoittaa, että nämä voidaan tehdä yksinomaan harpilla. Lopuksi konstruoinnin tulokset peilataan takaisin.

Alla on esimerkkinä suorien $AB$ ja $CD$ leikkauspisteen määritys, kun kumpikin suora on annettu kahden pisteen avulla. Pisteet peilataan ensin kiinteässä $K$-keskisessä ympyrässä, jolloin saadaan pisteet $A'$, $B'$, $C'$ ja $D'$. Edellä olevan esimerkin mukaisesti tämä voidaan tehdä yksinomaan harpilla. Suorien kuvat peilauksessa ovat keskipisteen $K$ kulkevia ympyröitä, joista kumpikin siis määräytyy kolmen pisteen avulla: $K$, $A'$, $B'$ ja $K$, $C'$, $D'$. Näiden konstruoiminen onnistuu yksinomaan harpilla (vaikkakaan ei aivan lyhyesti). Peilaamalla ympyröiden leikkauspiste $X'$ saadaan etsitty suorien leikkauspiste $X$.

Harppikonstruktio: suorien $AB$ ja $CD$ leikkauspiste;
peilausympyrä musta, piirtämisjärjestys: vihreä, sininen, punainen.
Suorat katkoviivalla.

Menettelyn todistus (ja monia harppikonstruktioita) on esitetty itävaltalaisen August Adlerin kirjassa Theorie der geometrischen Konstruktionen vuodelta 1906 (löytyy verkosta). Harpin riittävyys ei sinänsä ollut uutta, mutta todistusta käänteissäteistä muunnosta käyttäen ei ollut aiemmin esitetty. Tarvittavat harppikonstruktiot oli esittänyt italialainen Lorenzo Mascheroni vuonna 1797 teoksessaan Geometria del compasso ja tätäkin aikaisemmin tanskalainen Georg Mohr tanskaksi ja hollanniksi ilmestyneessä teoksessaan Euclides danicus vuonna 1672 (kuva artikkelin alussa). Mohrin teos jäi kuitenkin huomiotta ehkä kielen takia, latinahan tuohon aikaan olisi ollut luontevampi valinta. Suomeksi harppikonstruktioita on käsitelty Erkki Rosenbergin kirjassa Geometria (Limes 1983).

Euclides danicuksen tiivis esitys: ympyrä kolmen pisteen kautta.

Lopuksi lukijalle pohdittavaa: Jos $A$ ja $B$ ovat peilipisteitä ympyrän $c$ suhteen ja sekä ympyrä että pisteet kuvataan toiseen ympyrään liittyvällä käänteissäteisellä muunnoksella, niin ovatko kuvapisteet peilipisteitä kuvaympyrän suhteen? Työkaluksi sopii GeoGebra.

-----

Jonkin matematiikan alan hyödyllisyyttä tai hyödyttömyyttä arvioidessa täytyy olla hyvin varovainen. Hyvä esimerkki on lukuteoria, jota on pidetty sovellusten kannalta tarpeettomana puhtaana matematiikkana, mutta johon tietoliikenteen salausalgoritmit nykyään perustuvat. Geometriset harppikonstruktiot voisivat sen sijaan olla hyvä kandidaatti hyödyttömäksi, mutta ehkä kuitenkin jollakin tavoin viehättäväksi matematiikaksi. Kommenteissa voi esittää vastaväitteitä tai muita näkökohtia.