Matematiikka ja teknologia, kevät 2011 Peter Hästö 24. helmikuuta 2011 Matemaattisten tieteiden laitos
Sisältö Kurssi koostuu kuudesta (seitsemästä) toisistaan riippumattomasta luennosta. Aihepiirit ovat: 13.1 Global positioning system (GPS) 20.1 Satunnaislukugeneraattorit 27.1 Google ja PageRank algoritmi 3.2 JPEG kuvanpakkaus 10.2 ei luentoa! 17.2 ROF kuvan virheenpoisto 24.2 Geometria arkkitehtuurissa (3.3 Fraktaalit ja kuvanpakkaus) HUOM! 3.3 on ylimääräinen luento fraktaaleista tässä luennossa ei ole ollenkaan perusosaa, koska aiheen käsittely vaatii enemmän matemaattista pohjaa. Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 2 / 17
Määritelmät Arkkitehtuurilla tarkoitetaan rakennusten ja rakennuskokonaisuuksien suunnittelua. Abstraktimmin, arkkitehtuuri on tilan manipulointia ihmisten tarpeita varten. (Klassinen) Geometria, kirjaimellisesti maanmittaus, tarkoittaa tason tai avaruuden osajoukkojen mittaominaisuuksien ja niiden suhteiden tutkimusta. Felix Klein ehdotti geometrian tutkimista sen symmetriaryhmän avulla, ja tämä on nykyään geometrian tutkimuksen valtavirta. ks. http://www.iri.upc.edu/people/ros/structuraltopology/ ST1/st1-05-a2-ocr.pdf Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 3 / 17
Suhde 1800 luvulle asti arkkitehtuurin ja geometrian välillä oli läheinen suhde, jonka jälkeen erkaantuminen. Esimerkkinä voi mainita G. Desargue (1591 1661), arkkitehti joka liitetään alla olevan kuvan lauseeseen. kuvan lähde: wikipedia Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 4 / 17
Muutama yhtymäkohta Lähin yhteys geometrian ja arkkitehtuurin välillä on ollut juuri perspektiivin ja kuvallisen representaation osalta. (Vrt. kurssi Arkkitehtuurin esitystekniikat /Kuvausoppi.) Tällä luennolla keskitytään kuitenkin kahteen muuhun aspektiin: säännölliset kuvioinnit ja symmetria ryhmät, sekä viivoittuvat pinnat ja toisen asteen yhtälöt. Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 5 / 17
Säännölliset kuvioinnit ja symmetria ryhmät Suuren pinta-alan peittäminen esteettisesti on usein kätevä tehdä käyttämällä sopivasti säännöllisiä, eli toistuvia, kuvioita. Käsittelemme täällä kahta kuviotyyppiä, friisejä sekä mosaiikkeja. Friisi on yhteen suuntaan (yleensä vaakasuoraan) itseään toistava, kun taas mosaiikki toistaa itseään kahteen suuntaan. Toistamisella tarkoitetaan tässä, että yhdensuuntaissiirto (translaatio) säilyttää kuvion. Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 6 / 17
Kuvioiden luokitus Friisikuvioita voidaan erilaisten symmetriaominaisuuksien mukaan luokitella seitsemään kategoriaan. Tässä esimerkit: FFFFFFFFFFFF EEEEEEEEEEEE AAAAAAAAAAAA pbpbpbpbpbpb NNNNNNNNNNNN VΛVΛVΛVΛVΛVΛVΛVΛVΛVΛVΛVΛ HHHHHHHHHHHH Yrittäkää keksi ryhmässä, mitkä symmetriat (peilaus, rotaatio, siirtopeilaus) määrittelevät kunkin kategorian. (Lähde: luku 7, C.D.H. Cooper, Geometry, www.maths.mq.edu.au/~chris/geometry/) Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 7 / 17
Todistus Mahdollisia symmetrioita on neljänlaista: P pystysuuntainen peilaus V vaakasuuntainen peilaus R rotaatio S siirtopeilaus Lähtökohtaisesti olisi siis 2 4 = 16 mahdollista friisikuviota. Mutta symmetriat eivät ole toisistaan riippumattomia, vaan V S, RS V, PS R ja PR S. Kun nämä yhteydet ottaa huomioon, jää jäljelle edellisellä kalvolla olevat seitsemän ryhmää:, P, R, S, SV, PS, PRSV. Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 8 / 17
Mosaiikit Mosaiikki on siis kaksiulotteinen kuva (tason osajoukko), joka on invariantti kahden, ei-yhdensuuntaisen translaation suhteen (esim. tiiliseinä). Mosaiikit voi luokitella symmetrian perusteella samalla tavalla kuin friisit. Tässä tapauksessa saadaan 17 ekvivalenssiluokkaa. Kuvioinnit tunnettiin jo varhain. On välitetty, että kaikki 17 kuviotyyppiä esiintyisi Alhambran palatsissa (n. 1200-luvulta), mutta tämä ei ilmeiseti ole aivan totta (ks. Notices of the American Mathematical Society, vol. 53, no. 6, 670 673). Kuitenkin vasta 1891 Fedorov osoitti, että kategorioita ei ole kuin 17. Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 9 / 17
Mosaiikkien luokittelu Mosaiikissa peilaus tai siirtopeilaus voi tapahtua useamman eri akselin suhteen. Vastaavasti, rotaatio voi säilyttää kuvion, vaikka se ei ole 180-asteinen. Cooper käyttää luokitteluun lukukolmikkoa xyz, missä x on maksimaalinen rotaatioiden määrä jonkun pisteen ympäri y on maksimimäärä peiliakseleita jonkun pisteen läpi z on maksimimäärä siirtopeilausakseleita jonkun pisteen läpi Tällä luokittelulla mahdolliset luokat ovat 100, 101, 111, 110, 200, 202, 211, 222, 220, 300, 332a, 332b, 400, 423, 442, 600, 664. Esimerkkejä löytyy myös täältä: http://en.wikipedia.org/wiki/wallpaper_group Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 10 / 17
Epäsäännölliset kuviot Nykyään on kiinnostusta myös epäsäännöllisiin kuvioihin. Tämä voi olla paljon vaivalloisemmin tuotettavissa, mikäli kuvioinnin palat eivät ole vakioituja. Kuitenkin ns. Penrose laatoilla voi kahdella nelikulmiolla laatoittaa tason ilman minkäänlaista symmetriaa. Tätä on käytetty mm. Helsingin uudella kävelykadulla: Kuva: http://kasperiina.blogspot.com/2009_11_01_archive.html Ks. http://www.rakli.fi/attachements/2009-02-13t09-19-1866.pdf Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 11 / 17
Matemaattinen osa Tarvittavat käsitteet: Suoran yhtälö avaruudessa Algebrallista manipulaatiota Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 12 / 17
Arkkitehtuuri ja strukturaalinen ajattelu Hyödyllinen pinnan ominaisuus on, että se sisältää sopivia parvia suoria. Rakentaessa, janat voivat olla esimerkiksi betonin terästukia tai valumuottia. Perinteisten tasojen ja kartioiden lisäksi hyödyllisimmät (käytetyimmät) muodot ovat Hyperboliset paraboloidit Yksiosaiset hyperboloidit Kumpikin näistä on kvadrinen (toisen asteen) pinta. Kuvia: http://en.wikipedia.org/wiki/ruled_surface Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 13 / 17
Kvadrinen pinta Määritelmä Kvadrisen pinnan määrää yhtälö P(x, y, z) = 0, missä P on toisen asteen yhtälö kunkin muuttujan suhteen. Esimerkki x 2 + y 2 + z 2 = 1 määrää pallon kuoren. Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 14 / 17
Kvadriset pinnat Ekvivalenssien jälkeen on olemassa 5 ei-degeneroitua kvadrista pintaa: 1. Ellipsoidi, ( x a )2 + ( y b )2 + ( z c )2 = 1 2. Elliptinen paraboloidi, ( x a )2 + ( y b )2 z = 0 3. Hyperbolinen paraboloidi, ( x a )2 ( y b )2 z = 0 4. Yksiosainen hyperboloidi, ( x a )2 + ( y b )2 ( z c )2 = 1 5. Kaksiosainen hyperboloidi, ( x a )2 + ( y b )2 ( z c )2 = 1 Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 15 / 17
Yksiosainen hyperboloidi Lause Yksiosainen hyperboloidi voidaan konstruoida kiinnittämällä pystysuorasti nauhoja kahteen vaakasuoraan renkaaseen, ja kiertämällä lopuksi toista rengasta korkeintaan 180 astetta. Jos kääntää 180 astetta, syntyy kartio, joka siis on degeneroitunut hyperboloidi. Huomaa, että tästä seuraa, että myös toinen, vastakkaista kääntöä vastaava janaparvi täyttää hyperboloidin. Ristiin vahvistaminen vahvistaa rakennetta olennaisesti. [Todistus taululle] Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 16 / 17
Hyperboolinen paraboloidi Lause Hyperboolinen paraboloidi voidaan konstruoida kiinnittämällä pystysuorasti nauhoja kahteen vaakasuoraan tikkuun, ja kiertämällä lopuksi toista tikkua keskipisteensä ympärille. [Todistus taululle] Peter Hästö Matemaattisten tieteiden laitos 24. helmikuuta 2011 17 / 17