Hyperbolische Symmetrien
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- Jakob Schneider
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1 Hyperbolische Symmetrien Nina Dietsche Robert Papin Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
2 Hyperbolische Symmetrien 2 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
3 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Modelle der hyperbolischen Geometrie 3 Isometrien und Möbiustransformationen 4 Hyperbolische Spiegelungen 5 Hyperbolische Ornamente 3 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
4 1 Einführung 1 Euklids Werk Elemente 2 Euklids 5 Postulate 3 Notwendigkeit des 5. Postulats 4 Nichteuklidische Geometrie 4 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
5 1.1 Euklids Werk Elemente besteht aus 13 Lehrbüchern baut auf insgesamt 23 Definitionen und 5 Postulaten (Axiome der euklidischen Geometrie) auf, aus denen alle 465 Sätze hergeleitet werden Abbildung: Euklid von Alexandria ca. 360 bis ca. 280 v. Chr. Abbildung: Papyrusfragment der Stoicheia (Buch 2) 5 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
6 1.2 Euklids 5 Postulate (1) 1 Es ist möglich, eine Gerade von jedem beliebigen Punkt zu einem anderen Punkt zu zeichnen. 2 Es ist möglich, eine Gerade beliebig zu erweitern. 3 Es ist möglich, einen Kreis mit beliebigem Mittelpunkt und Radius zu zeichnen. 4 Alle rechten Winkel sind gleich. 6 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
7 1.2 Euklids 5 Postulate (2) 5 Wenn eine Gerade zwei Geraden schneidet und die Innenwinkel auf der gleichen Seite (in der Summe) weniger als zwei rechte Winkel sind, so treffen sich die zwei Geraden auf der Seite, auf der die Winkel weniger als zwei rechte Winkel sind (Parallelenpostulat). 7 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
8 1.3 Notwendigkeit des Parallelenpostulats (1) Zentrale Frage: Ist das Parallelenpostulat für die Definition der euklidischen Geometrie entbehrlich? (Parallelenproblem) Versuche scheiterten, da diese alle Aussagen verwendeten, die äquivalent zum Parallelenpostulat sind 8 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
9 1.3 Notwendigkeit des Parallelenpostulats (2) Gauß erkannte als Erster, dass das Problem grundsätzlich unlösbar ist, veröffentlichte seine Erkenntnisse aber nicht Bolyai (von Gauß beeinflusst) und Lobatschewski gelang 1826 (unabhängig voneinander und fast zeitgleich) die Konstruktion einer Geometrie aus den Postulaten 1 bis 4, in denen das 5. Postulat nicht gilt Geometrie, die nur auf den ersten 4 Postulaten aufbaut, heißt auch absolute Geometrie. 9 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
10 1.4 Nichteuklidische Geometrien (1) Man erhält nichteuklidische Geometrien, indem man das Parallelenpostulat aus dem Axiomensystem abändert. Die grundlegenden Änderungsmöglichkeiten sind: 1 Zu Gerade g und Punkt P außerhalb der Geraden gibt es keine Parallele zu g durch P. Zwei verschiedene Geraden in einer Ebene schneiden sich also immer. Das führt zu einer elliptischen Geometrie (Anschauliches Modell: S 2 ) 2 Zu einer Geraden g und einem Punkt P außerhalb der Geraden gibt es mindestens zwei Geraden h und i, die durch P gehen und zu g parallel sind. Das führt zu einer hyperbolischen Geometrie. 10 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
11 1.4 Nichteuklidische Geometrien (2) Elliptische Geometrie (zweidimensional, veranschaulicht durch die Geometrie auf einer Kugeloberfläche): Die Winkelsumme im Dreieck ABC := α + β + γ > Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
12 1.4 Nichteuklidische Geometrien (3) Hyperbolische Geometrie: Abbildung: Zu d existieren unendlich viele parallele Geraden durch A Abbildung: Die Winkelsumme im Dreieck ABC := α + β + γ < Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
13 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Modelle der hyperbolischen Geometrie 3 Isometrien und Möbiustransformationen 4 Hyperbolische Spiegelungen 5 Hyperbolische Ornamente 13 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
14 2 Modelle der hyperbolischen Geometrie 1 Grundlegendes 2 H + -Modell 3 Poincaré sches Einheitskreisscheibenmodell E 4 Beltrami-Klein Modell 14 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
15 2.1 Grundlegendes Es gibt nur eine abstrakte hyperbolische Geometrie, aber mehrere mögliche Modelle, diese darzustellen. Es ist möglich, zwischen diesen Modellen umzurechnen. Aussagen in rein hyperbolischer Geometrie sind vom verwendeten Modell unabhängig. 15 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
16 2.2 H + (1) 16 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
17 2.2 H + (2) H + S 2 Form der Grundfläche Einheitshyperbel x 2 y 2 = 1 Einheitskreis x 2 + y 2 = 1 parametrisiert durch (cosh(t), sinh(t)), t R (cos(t), sin(t)), t R quadratische Form σ(x, y) := x 0 y 0 x 1 y 1 x 2 y 2 σ(x, y) := 2 i=0 x i y i Punktmenge R 3 H + := {x R 3 ; q(x) = 1, x 0 > 0} S 2 := {x R 3 ; q(x) = 1} Metrik d(x, y) := arcosh(σ(x, y)) d(x, y) := arccos(σ(x, y)) für x = x 0 x 1 x 2, y = y 0 y 1 y 2 H + bzw. S 2 und q(x) := σ(x, x) 17 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
18 2.2 H + (3) H + := {x R 3 ; q(x) = 1, x 0 > 0} R 3 Die hyperbolischen Geraden in H + sind die nichtleeren Schnitte von zweidimensionalen Untervektorräumen des R 3 mit H +, d.h. Hyperbeln. 18 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
19 2.3 Poincaré sches Einheitskreisscheibenmodell E (1) Idee: Bilde H + -Modell auf eine Teilmenge des R 2 ab, die Einheitskreisscheibe E:= {x = (x 1, x 2 ) R 2 ; x < 1} E ergibt sich durch die Zentralprojektion von ( 1, 0, 0) auf die (x 1, x 2 )-Ebene. 19 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
20 2.3 Poincaré sches Einheitskreisscheibenmodell E (2) Die hyperbolischen Geraden in E sind entweder Kreisbögen in E, die den Rand von E senkrecht schneiden, oder Durchmesser von E. hyperbolische Winkelmessung entspricht der euklidischen Winkelmessung (Winkel zwischen zwei Kreisbögen werden über deren Tangenten am Schnittpunkt bestimmt) 20 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
21 2.3 Poincaré sches Einheitskreisscheibenmodell E (3) Metrik: hyperbolische Längenmessung erfolgt durch eine spezielle Distanzfunktion: der hyperbolische Abstand von A und B wird mit Hilfe des (komplexen) Doppelverhältnisses (a, b, p, q) definiert: d(a, B) := ln( (a q) (b p) (b q) (a p) ) 21 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
22 2.3 Poincaré sches Einheitskreisscheibenmodell E (4) drei Durchmesser von E (links), drei Kreisbögen (rechts) 22 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
23 2.4 Beltrami-Klein Modell (1) hyperbolische Ebene wird durch die offene Einheitskreisscheibe E:= {x = (x 1, x 2 ) R 2 ; x < 1} (oder einen anderen Kegelschnitt) modelliert 23 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
24 2.4 Beltrami-Klein Modell (2) nicht parallel vs. asymptotisch parallel vs. divergent/ultraparallel 24 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
25 2.4 Beltrami-Klein Modell (3) Längen werden durch eine spezielle Distanzfunktion definiert Metrik: der hyperbolische Abstand von A und B wird nun mit Hilfe des Doppelverhältnisses (A, B, R, S) definiert: d(a, B) := 1 2 ln( RA SB RB SA ) 25 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
26 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Modelle der hyperbolischen Geometrie 3 Isometrien und Möbiustransformationen 4 Hyperbolische Spiegelungen 5 Hyperbolische Ornamente 26 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
27 3 Isometrien und Möbiustransformationen 1 Isometrien in der hyperbolischen Ebene 2 Isometrien von E, Möbiustransformationen 27 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
28 3.1 Isometrien in der hyperbolischen Ebene (1) Welche Isometrien sind in der hyperbolischen Ebene möglich? Reflexion/Spiegelung Rotation/Drehung (Spezialfall: Grenzdrehung) Translation/Verschiebung Gleitspiegelung 28 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
29 3.1 Isometrien in der hyperbolischen Ebene (2) Reflexion/Spiegelung (=Inversion am Kreis): 29 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
30 3.1 Isometrien in der hyperbolischen Ebene (3) Rotation/Drehung: Drehung um einen Punkt P um Winkel α, so dass Abstände erhalten bleiben Ablauf: lege 2 Geraden durch P, die sich im Winkel α 2 schneiden spiegele hintereinander an den beiden Geraden 30 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
31 3.1 Isometrien in der hyperbolischen Ebene (4) Spezialfall: Grenzdrehung Spiegelung an zwei asymptotischen Geraden hintereinander, d.h. Drehung um einen Punkt im 31 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
32 3.1 Isometrien in der hyperbolischen Ebene (5) Translation/Verschiebung: Translation von P nach Q senkrecht zu den Spiegelachsen um das Doppelte ihres Abstands 32 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
33 3.1 Isometrien in der hyperbolischen Ebene (7) Gleitspiegelung: Produkt von Spiegelung und Translation entlang der Spiegelgeraden (analog zum euklidischen) 33 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
34 3.1 Isometrien in der hyperbolischen Ebene (8) Fazit: Es gibt auch 4 Isometrien in hyperbolischer Geometrie Geraden gehen durch Isometrien in Geraden über Winkel ändern durch Isometrien ihre Größe nicht Folgerung: Die Winkelsumme im Dreieck ist kleiner als π (ohne Beweis) Spezialfall: ideales Dreieck idelaes Dreieck: asymptotisch parallele Geraden, d.h. kein Schnittpunkt 34 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
35 3.2 Isometrien von E, Möbiustransformationen (1) bei der Betrachtung von Isometrien oft zweckmäßiger zur komplexen Darstellung überzugehen identifizieren R 2 mit C E := {z C; z < 1}, S 1 := {z C; z = 1} bestimmte Art von Abbildungen, bei denen sich Spezialfälle als Isometrien von E erweisen Möbiustransformationen 35 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
36 3.2 Isometrien von E, Möbiustransformationen (2) φ(p) = p und φ(p ) = p, d.h. offensichtlich ist φ 2 = id Abbildung φ hat Lücken: φ(p) für p m 36 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
37 3.2 Isometrien von E, Möbiustransformationen (3) Abbildungsgleichung für Punkt p ˆR 2 : m + r 2 (p m), falls p m, p φ(p) = p p m 2 =, falls p = m m, falls p = 37 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
38 3.2 Isometrien von E, Möbiustransformationen (4) Abbildungsgleichung für Punkt z Ĉ: φ(z) = az+b cz+d, a, b, c, d C 38 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
39 3.2 Isometrien von E, Möbiustransformationen (5) Abbildung der Form φ(z) = az+b cz+d, a, b, c, d C heißt Anti-Möbiustransformation Pendant dazu ist die Möbiustransformation: φ(z) = az+b cz+d, a, b, c, d C beide Begriffe fasst man zusammen als allgemeine Möbiustransformation 39 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
40 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Modelle der hyperbolischen Geometrie 3 Isometrien und Möbiustransformationen 4 Hyperbolische Spiegelungen 5 Hyperbolische Ornamente 40 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
41 4 Hyperbolische Spiegelungen 1 Konstruktion des hyperbolischen Ausgangsdreiecks 2 Die Spiegelungsgruppe 3 Hyperbolische Parkettierungen 41 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
42 4.1 Konstruktion des hyperbolischen Ausgangsdreiecks Konstruktionsskizze des hyperbolischen Ausgangsdreiecks 42 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
43 4.2 Die Spiegelungsgruppe Unendlichkeit der Spiegelungsgruppe 43 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
44 4.3 Hyperbolische Parkettierungen Hyperbolische Pflasterung zur Gruppe T*(2,3,7) 44 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
45 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Modelle der hyperbolischen Geometrie 3 Isometrien und Möbiustransformationen 4 Hyperbolische Spiegelungen 5 Hyperbolische Ornamente 45 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
46 5 Hyperbolische Ornamente Morenaments: Tool zum Erstellen hyperbolischer Ornamente 46 Nina Dietsche, Robert Papin Hyperbolische Symmetrien
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