Pallogeometria on kaksiulotteisen pallopinnan geometria. Tässä yhteydessä pallolla tai pallopinnalla tarkoitetaan nimenomaan kaksiulotteista pintaa, joskin matematiikassa sana pallo voi muissa yhteyksissä tarkoittaa myös sen rajoittamaa kappaletta (kuulaa) tai myös sekä pallopinnan että kuulan useampiulotteista vastinetta.
Pallogeometriaa on kauan tutkittu navigointiin liittyvien ja tähtitieteellisten sovellustensa vuoksi. Euklidisen tasogeometrian kanssa sillä on monia yhtäläisyyksiä, mutta myös merkittäviä eroja. Pallogeometria käsitetään usein osaksi avaruusgeometriaa eli kolmiulotteista euklidista geometria, jolloin pallopintaa tarkastellaan kolmiulotteisen avaruuden osajoukkona. Sitä voidaan kuitenkin tarkastella myös sisäisin, intrisisin menetelmin, jolloin käsitellään vain pintaa itseään viittamatta lainkaan laajempaan avaruuteen, jossa pinta sijaitsee.
Koska pallopinta eroaa geometrisesti tasosta, (intrinsisella) pallogeometrialla on monia epäeuklidisen geometrian piirteitä, ja sellaisena sitä toisinaan pidetäänkin. Pallogeometria ei kuitenkaan ole käsitteen täydessä merkityksessä epäeuklidista geometriaa, sillä se ei riitä ratkaisemaan, onko paralleeliaksiooma looginen seuraus muista Eukleideen tasogeometrian aksioomista. Tähän kysymykseen toi vastauksen vasta hyperbolinen geometria.
Tasogeometrian peruskäsitteet ovat piste ja suora. Pallogeometriassa vastaavat peruskäsitteet ovat piste ja isoympyrä. Kaksi pallopinnan isoympyrää leikkaa toisensa kahdessa pisteessä, jotka ovat toistensa antipodeja, ja tässä suhteessa pallogeometria poikkeaa (yksinkertaisesta) elliptisestä geometriata.
Kun pallopinta käsitetään kolmiulotteisen avaruuden osajoukoksi, isoympyrät ovat pallopinnan ja sen keskipisteen kautta kulkevien tasojen leikkauksia. Intrinsisesti tarkasteltuna isoympyrä on geodeettinen viiva, lyhin tie kahden pisteen välillä edellyttäen, että ne ovat tarpeeksi lähellä toisiinsa. Intrinsisessä aksiomaattisessa lähestymistavassa, joka on analoginen Eukleideen tasogeometriassa käytetylle, isoympyrä on pisteen tavoin peruskäsite, jota ei määritellä, mutta sen ja pisteen tärkeimmät ominaisuudet ja yhteydet ilmaistaan aksioomella, joista niiden muut ominaisuudet seuraavat.
Isoymyröillä on pallogeometriassa monessa suhteessa vastaava looginen merkitys kuin suorilla euklidisessa geometriassa, esimerkiksi pallokolmioiden sivuina. Tämä ei ole pelkkä analogia: pallo- ja tasogeometriaa ja useita muitakin voidaan käsitellä erikoistapauksina samasta yleisemmästä, etäisyyksien mittaamiseen perustuvista geometrisista struktuureista, joissa "suorat" määritellään lyhimpinä polkuina (geodeettisina viivoina). Monet pisteitä ja "suoria" koskevat lauseet pätevät yhtä lailla kaikissa tällaisissa geometrioissa, edellyttäen että ne on määritelty tähän tapaan, ja teoria voidaan suoraan yleistää korkeampiin ulottuvuuksiin. Koska pallogeometria kuitenkin on sekä sovellustensa vuoksi että ja pedagogisista syistä sidoksissa avaruusgeometriaan ja koska näissä yleistyksissä eivät kaikki pallopintaa koskevat tulokset päde, pallogeometriassa ei yleensä käytetä termiä "suora" mistään pinnalla itsellään olevasta viivasta. Historiallisestikin se on kehittynyt osana avaruusgeometriaa, ja siinä käytetään apuna myös ympäröivän kolmiulotteisen (euklidisen) avaruuden pisteitä, suoria ja tasoja.
Pallogeometriassa käsiteltävät kulmat ovat isoympyröiden välisiä kulmia. Kun pallopintaa tarkastellaan kolmiulotteisessa avaruudessa sijaitsevana, tämä kulma on yhtä suuri kuin niiden tasojen välisenä kulma, joiden leikkauksia pallopinnan kanssa nämä isoympyrät ovat.[1] Isoympyröiden ja kulmien muodostamia pallokolmioita käsittelee pallotrigonometria, joka eroaa tavallisesta trigonometriasta monin tavoin: esimerkiksi pallokolmion kulmien summa on aina suurempi kuin 180 astetta.
Pallogeometria on läheistä sukua elliptiselle geometrialle.
Eräs huomattava pallogeometriaa muistuttava geometria on projektiivisen tason geometria. Se saadaan samastamalla keskenään toistensa antipodissa olevat pisteet, toisin sanoen ne pallopinnan pisteet, jotka ovat yhtä kaukana pallon keskipisteestä sen vastakkaisilla puolilla. Lokaalisesti projektiivisella tasolla on kaikki pallopinnan ominaisuudet, mutta sen globaalit ominaisuudet ovat erilaiset. Erityisesti projektiivinen taso on orientoitumaton, yksipuolinen, ja toisin kuin pallopintaa, sellaista ei voi muodostaa kolmiulotteisessa avaruudessa ilman, että se leikkaa itsensä.
Pallogemetrian käsitteitä voidaan soveltaa myös pyörähdysellipsoidiin, joskin eräitä kaavoja on hieman muutettava.
Pallogeometria voidaan elliptisen geometrian tavoin yleistää myös useampaan ulottuvuuteen.
Varhaisin nykyaikaan säilynyt pallogeometriaa käsittelevä teos on Autolykos Pitanelaisen 300-luvulla eKr. kirjoittama "Pyörivästä pallosta" kreik. Περὶ κινουμένης σφαίρας, Peri kinoumenes sphairas).[2]
Pallotrigonometriaa tutkivat muutamat antiikin kreikkalaiset matemaatikot ja tähtitieteilijät kuten Theodosius Bithynialainen, joka kirjoitti pallogeometriaa käsittelevän teoksen Sphaerics[3] ja Menelaos Aleksandrialainen, joka kirjoitti pallotrigonometriaa käsittelevän kirjan Sphaerica ja tunnetaan myös Menelaoksen lauseen keksijänä.[4][5]
Islamilaisen matemaatikko Al-Jayyanin kirjoittamaa "Pallon tuntemattomien kaarten kirjaa" pidetään ensimmäisenä pallotrigonometriaa systemaattisesti käsittelevänä teoksena. Kirjassa on suorakulmaisia kolmiota koskevia kaavoja, yleinen sinilause sekä pallokolmion ratkaisu napakolmion avulla.[6]
Regiomontanuksen noin vuonna 1463 kirjoittama Kolmioista on ensimmäinen eurooppalainen puhtaasti trigonometrinen teos. Noin sata vuotta myöhemmin Gerolamo Cardano kuitenkin totesi, että suurin osa sen pallotrigonometriaa käsittelevästä aineistosta oli lainattu 1100-luvulla eläneen andalusialaisen Jabir ibn Aflahin teoksista.[7]
Leonhard Euler julkaisi useita merkittäviä pallogeometriaa käsitteleviä tutkielmia:
Pallogeometrialla on seuraavat ominaisuudet:[8]
Pisteet, jotka eivät ole toistensa antipodeja, voidaan yhdistää toisiinsa kahdella isoympyrän kaarella, jotka yhdessä muodostavat isoympyrän. Näin ollen kolme pistettä, jotka eivät ole samalla isoympyrällä, eivät yksikäsitteisesti määrittele kolmiota. Jos kuitenkin tarkastellaan vain kolmioita, joiden sivut ovat isoympyröiden pienempiä kaaria, toisin sanoen kaaria, joiden pituus on vähemmän kuin puolet isoympyrän kehästä, niillä voidaan todeta olevan seuraavat ominaisuudet:
Mikäli sanaa "suora" käytetään tarkoittamaan pallon isoympyrää ja sanaa "jana" isoympyrän kaaresta, pallogeometria toteuttaa kaksi Eukleideen viidestä postulaatista, nimittäin toisen ("jana voidaan jatkaa jatkuvasti kokonaiseksi suoraksi") ja neljännen ("kaikki suorat kulmat ovat yhtä suuria"). Sen sijaan kolme muuta postulaattia eivät päde. Vastoin ensimmäistä postulaattia kahden pisteen välillä ei aina ole yksikäsitteistä lyhintä reittiä (antipodipisteet kuten pohjois- ja etelänapa ovat vastaesimerkkejä). Vastoin kolmatta postulaattia ei pallopinnalle voida ympyrää, jonka säde on tiettyä rajaa suurempi. Ja vastoin viidettä eli paralleeliaksioomaa ei "suoran" ulkopuolella olevan pisteen kautta kulje yhtään sellaista "suoraa", joka ei leikkaisi edellistä jossakin pisteessä.[9]
Paralleeliaksiooma on yhtäpitävä muun muassa sen lauseen kanssa, että on olemassa kolmio, jonka kulmien summa on 180°. Koska pallogeometriassa paralleeliaksiooma ei ole voimassa, ei pallopinnalla ole tämän ehdon toteuttavaa kolmiota. Sen sijaan pallokolmion kulmien summa on 180°(1 + 4f), missä f on kolmion sisään jäävän alueen pinta-alan suhde koko pallon pinta-alaan. Kaikilla f:n positiivisilla arvoilla tämä on suurempi kuin 180°.
Pallogeometrialle on paljon käytännön sovelluksia, sillä esimerkiksi Maapallolla liikutaan pallopinnalla, ja juuri merenkulun tarpeet ovatkin hyötyneet pallogeometrian tutkimuksesta.