Suoran piirtäminen paperin ulkopuolella olevan pisteen kautta

Kaksi pistettä määrää tunnetusti suoran yksikäsitteisesti.  Asettamalla viivoittimen reuna pisteiden kautta suora voidaan alkeisgeometriassa piirtää. Tehtävästä tulee vaikeampi, jos toinen piste sijaitsee piirustuspaperin ulkopuolella ja tunnetaan vain kahden tunnetun suoran leikkauspisteenä. Ongelma tosin on hieman vanhanaikainen: moderneissa geometriaohjelmissahan ei ole piirustuspaperia ja kaukana oleviin pisteisiin päästään käsiksi piirustusalaa skaalaamalla tai siirtämällä.

Tehtävä on kuitenkin mielenkiintoinen ja avaa näköaloja hieman pidemmällekin. Annettuna on siis kaksi suoraa ja piste. Tulee piirtää annetun pisteen $P$ ja suorien $s_1$ ja $s_2$ leikkauspisteen $Q$ kautta kulkeva suora, mutta $Q$ on kuitenkin kaukana.

Tarvittava konstruktio on seuraava: Valitaan jokin piste $K$ ja piirretään sen kautta kolme suoraa (punaiset). Yksi näistä leikkaa suoran $s_1$ pisteessä $A_1$ ja suoran $s_2$ pisteessä $A_2$.  Piirretään suorat $PA_1$ ja $PA_2$. Nämä leikkaavat toisen punaisista suorista pisteissä $B_1$ ja $B_2$. Kolmas punainen suora leikkaa suorat $s_1$ ja $s_2$ pisteissä $C_1$ ja $C_2$.  Piirretään suorat $B_1C_1$ ja $B_2C_2$. Näiden leikkauspiste $R$ on etsittävän suoran piste, ts. pisteet $P$, $Q$ ja $R$ ovat samalla suoralla $s$.

Miksi konstruktio sitten toimii? Kyseessä on Desarguesin lause: Jos suorat $A_1A_2$, $B_1B_2$ ja $C_1C_2$ kulkevat saman pisteen kautta, niin pisteet $$P = A_1B_1 \cap A_2B_2, \quad R = B_1C_1 \cap B_2C_2, \quad Q = C_1A_1 \cap C_2A_2$$ ovat samalla suoralla. Tässä $A_1B_1 \cap A_2B_2$ tarkoittaa suorien $A_1B_1$ ja $A_2B_2$ leikkauspistettä jne. Girard Desargues oli ranskalainen 1600-luvulla vaikuttanut matemaatikko (ks. esim. http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/Biographies/Desargues.html).

Desarguesin lauseen todistus on helpompi kolmessa dimensiossa kuin kahdessa.

Jos nimittäin kolme punaista suoraa eivät ole samassa tasossa, niillä olevat pisteet $A_1$, $B_1$ ja $C_1$ määräävät erään tason, pisteet $A_2$, $B_2$ ja $C_2$ vastaavasti toisen tason. Näiden leikkaussuora olkoon $s$.

Toisaalta pisteet $K$, $A_1$ ja $B_1$ määräävät tason, jossa myös pisteet $A_2$ ja $B_2$ ovat. Suorat $A_1B_1$ ja $A_2B_2$ sijaitsevat tässä tasossa eivätkä siis ole ristikkäisiä. Tällöin niillä on leikkauspiste $P$. Tämä sijaitsee sekä tasossa $A_1B_1C_1$ että tasossa $A_2B_2C_2$, ts. suoralla $s$.

Vastaavasti voidaan osoittaa, että sekä suorien $B_1C_1$ ja $B_2C_2$ leikkauspiste $R$ että suorien $C_1A_1$ ja $C_2A_2$ leikkauspiste $Q$ ovat suoralla $s$.

Kaksidimensioinen todistus saadaan tämän jälkeen tulkitsemalla kaksidimensioinen kuvio kolmidimensioisen projektiokuvaksi.

Päättelyissä ja jo alkuperäisessä kuviossakin syntyy poikkeustilanteita, jos jotkin suorat eivät leikkaakaan, vaan ovat yhdensuuntaisia.  Esimerkiksi alkuperäisestä kuviosta voi kysyä, mitä tapahtuu, jos suorat $s_1$ ja $s_2$ ovatkin yhdensuuntaiset. Projektiivisessa geometriassa tällaiset ongelmat ratkeavat liittämällä geometriseen tasoon äärettömän kaukaisia pisteitä. Ajatellaankin, että kaksi yhdensuuntaista suoraa leikkaa toisensa äärettömän kaukana olevassa pisteessä, johon päästään etenemällä suoria pitkin kumpaan tahansa suuntaan. Tällä tavoin syntyy ristiriidaton — ja kaunis — geometria, mutta kaikkia euklidisen geometrian totuttuja ominaisuuksia sillä ei ole.