Stellen wir uns vor, wir sind im 16. Jahrhundert auf einem alten Segelschiff unter-wegs. Nach langem Suchen haben wir auf einer Insel einen Schatz entdeckt. Um diesen Ort jederzeit wieder zu finden, wollen wir den Fundort auf einer Karte ein-zeichnen. Leider gibt es jedoch noch keine Karten. Doch wir finden Feder, Tinte und Papier an Bord. Mit welcher Methode wäre es uns möglich, unsere Erdku-gel auf ein Blatt Papier zu projizieren? Welche Anforderungen würden wir an die Projektion stellen, wenn wir auf unserem Schiff nach dieser Karte segeln wollen?
orthografisch gnomonisch stereografisch
Es gibt drei verschiedene Arten der Projektion: die orthografische, die gnomo-nische und die stereografische Projektion. Hierbei werden die Punkte der Kugel mittels der dargestellten Pfeile auf die Ebene projiziert. Auf hoher See gibt es drei Anforderungen an eine Karte, die für die Seefahrer wichtig sind. Zum Einen sollen alle Strecken im gleichen Maßstab dargestellt werden (Längentreue) und zum Anderen sollen die Winkel in ihrer wahren Größe erscheinen (Winkeltreue), damit der Kapitän einen eindeutigen Kurs festlegen kann. Außerdem sollte das Verhältnis zwischen zwei Flächen richtig dargestellt werden (Flächentreue), da-mit die Länder in der richtigen Größe erscheinen. Im 19. Jahrhundert hat man
gezeigt, dass keine Karte alle drei Anforderungen erfüllen kann. Die zwei wich-tigsten Kartentypen stammen von Gerhard Mercator (1512 – 1594) und Johann Heinrich Lambert (1728 – 1777). Die Mercator-Projektion entstand 1568 und ist eine winkeltreue Kartenprojektion mit dem Projektionszentrum in der Erdmitte.
Von hier aus werden alle Punkte der Erdoberfläche auf ein umliegendes Band in die Ebene projiziert. Lamberts Zylinderprojektion ist eine flächentreue Projektion.
Die Projektionsstrahlen verlaufen waagrecht zur Zylinderebene.
Die stereografische Projektion
π
N
P
P
Bei der stereografischen Pro-jektion handelt es sich um ei-ne Projektion, die vom Nord-pol ausgeht. Mathematisch ausgedrückt gelangt man zu folgender Definition: Die ste-reografische Projektion ist ei-ne Abbildung von der Kugel auf die Ebene, bei der ein Ku-gelpunkt P vom Nordpol N auf die Äquatorebene π
proji-ziert wird, indem die Gerade NP mit der Ebeneπ geschnitten wird. Der Bildpunkt in der Bildebene wird mit P bezeichnet.
Mit der stereografischen Projektion können alle Kugelpunkte mit Ausnahme des Projektionszentrums N abgebildet werden. Der Projektionsstrahl des Punktes N bildet beim Grenzübergang eine Tangente zur Kugel durch den Punkt N. Daher käme das Bild von N im „Unendlichen“ zu liegen. Erweitert man die Bildebene um diesen Punkt, gelangt man zur konformen Ebene. Auf diese können wirklich alle Punkte der Kugel abgebildet werden.
Nun können wir einige Eigenschaften dieser Abbildung nennen: Die Abbildung der Kugel auf die konforme Ebene ist bijektiv (das heißt, jeder Punkt der Ebene ist Bildpunkt genau eines Punktes der Kugeloberfläche), der Äquatorkreis bildet bei der stereografischen Projektion einen Fixpunktkreis (das heißt, diese Punk-te werden bei der sPunk-tereografischen Projektion auf sich selbst abgebildet)und die stereografische Projektion ist nicht längentreu.
Die folgende Behauptung kannst Du beweisen, indem Du zu der gegebenen Ab-bildung Aussagen über die Winkel und über gleichschenklige Dreiecke sammelst.
Behauptung 1: Die stereografische Projektion ist winkeltreu.
Beweisidee: Hat man auf der Kugel zwei sich im Winkel α schneidende Linien, so soll bewiesen werden, dass sich nach der stereografischen Projektion die Bilder dieser Linien in der Bildebene π in dem gleichen Winkel β = α schneiden. Es
ist also zu zeigen, dass sich der Schnittwinkel bei der stereografischen Projektion nicht verändert.
Dazu betrachtet man die Tangenten der beiden Linien im Schnittpunkt, wie es in der ersten Abbildung dargestellt ist. Dann überlegt man sich mit Hilfe der zweiten Abbildung, welche Aussagen man über das Dreieck 4MPN, das Dreieck 4MPF und schließlich über das Dreieck 4PF P machen kann. Dann zeigt man mit diesen Aussagen und der dritten Abbildung, dass α = β ist. (Tipp: Betrachte hierzu die Dreiecke 4ABP und 4ABP.)
N
P
π
Anfangszustand
P B
A F
M N
P
β α
π
Endzustand
N
P
M
S
ε ε
Tangentialebene
P F =A=B
Seitenansicht
Darauf aufbauend lässt sich zeigen, dass die stereografische Projektion auch kreis-treu ist; sofern man Geraden auch zu den Kreisen zählt.
Behauptung 2: Die stereografische Projektion ist kreistreu.
Beweis:Drei Fälle sind zu betrachten: Kleinkreise, Großkreise sowie Kreise durchN.
1. Fall: (Ein Kleinkreis k ist ein Kreis auf der Kugel, dessen Radius kleiner ist als der Radius der Kugel.) Wir bilden in jedem Kreispunkt die zu der Kreislinie von k
π
N k
k
senkrechten Kugeltangenten.
Bei der stereografischen Pro-jektion mit Zentrum N ent-steht ein Geradenbüschel mit gemeinsamem SchnittpunktS auf π. Aufgrund der Winkel-treue muss aber in der Ebene π das Bild von k auch wie-der senkrecht zu den Geraden sein. Somit erhalten wir einen Kreis k.
2. Fall: (Unter einem Großkreis verstehen wir Kreise, die den gleichen Radius haben wie die Kugel. Hierbei sollen diese nicht durch den Nordpol gehen.) Die Vorge-hensweise gleicht der im 1. Fall. Beim Anlegen der Kugeltangenten erhalten wir einen Zylinder. Bei der stereografischen Projektion der zueinander parallelen Man-tellinien dieses Zylinders erhalten wir einen Fluchtpunkt. Der Fluchtpunkt ist der Schnittpunkt der zu den Mantellinien parallelen Gerade durch N mit der Äquatore-benen π. Somit ist das Bild wieder ein Geradenbüschel mit einem gemeinsamen Punkt S. Das Bild eines Großkreises, der nicht durch N verläuft, ist also wieder ein Kreis. (Am besten veranschaulichst Du Dir das, indem Du Dir einen Großkreis wählst und die stereografische Projektion durchführst.)
π
k k N
3. Fall: Hier werden nun die Kreise betrachtet, die durch N verlaufen. Sowohl Großkreise als auch Kleinkreise durch N werden auf Geraden in der Ebene π abgebildet. Dies ergibt sich, da sich bei der stereografischen Projektion genau zwei Ebenen (zum Einen die Bildebene π und zum Anderen die Ebene, die durch N und den Kreis vorgegeben ist) schneiden und so eine Gerade, die Schnittgerade, entsteht.
Folglich ergeben sich bei der stereografischen Projektion von Kreisen wieder Kreise oder Geraden. Wir definieren nun: Ein Möbiuskreis in der Ebene ist ein Kreis oder eine Gerade. Die stereographische Projektion ist also möbiuskreistreu.