Лемніската Бернуллі
Лемніската Бернуллі | |
Названо на честь | Якоб Бернуллі |
---|---|
Формула | і |
Підтримується Вікіпроєктом | Вікіпедія:Проєкт:Математика |
Лемніската Бернуллі у Вікісховищі |
Лемніската Бернуллі (грец. λημνίσκοζ — пов'язка) — плоска алгебрична крива, яку можна означити як геометричне місце точок , для кожної з яких добуток відстаней до двох заданих точок та (фокусів) незмінна і дорівнює квадрату половини відстані між фокусами.
Тобто, для кожної точки лемніскати виконується рівність:
- .
де — відстань між фокусами .
Назва походить з античного Риму, де «лемніскатою» називали бантик, з допомогою якого прикріпляли вінок до голови переможця на спортивних іграх. Цю лемніскату називають в честь швейцарського математика Якоба Бернуллі, який поклав початок її вивченню в 1694 році.
Лемніската Бернуллі — алгебрична крива 4 порядку. Є окремим випадком овалів Кассіні та синусоїдальних спіралей.
Нехай фокуси лемніскати Бернуллі знаходяться на осі в точках і . Відстань між фокусами дорівнює , а точка — початок координат ділить відрізок між фокусами навпіл. Тоді наступні рівняння задають лемніскату Бернуллі:
- в прямокутних координатах в неявному виді:
Візьмемо довільну точку . Добуток відстаней від фокусів до точки є
- ,
і за означенням вона дорівнює :
Піднесемо в квадрат дві частини рівності:
Розкриємо дужки в лівій частині:
Розкриємо дужки і згорнемо новий квадрат суми
Винесемо спільний множник і перенесемо:
Далі можна зробити заміну :
- Зробивши нескладні перетворення, можна отримати рівняння у явному вигляді:
Піднесемо в квадрат і розкриємо дужки:
Приведемо до вигляду
Це квадратне рівняння відносно . Розв'язавши його, отримаємо
Добувши корінь і відкинувши варіант з від'ємною другою змінною, отримаємо:
де додатній варіант визначає верхню половину лемніскати, від'ємний — нижню.
Крива визначена при ;
або ж при
Використовуючи формули переходу до полярної системи координат отримаємо:
Винесемо спільні множники і використаємо тригонометричну тотожність :
Використаємо ще одну тотожність: :
Поділимо на , вважаючи, що :
Як і в випадку прямокутної системи можна замінити :
- Параметричне рівняння в прямокутній декартовій системі координат:
- , де
Щоб задати лемніскату по двох довільних точках, можна не виводити рівняння заново, а визначити перетворення координат, при якому старий (даний) фокусний відрізок переходить в новий, і подіяти на представлені рівняння цим перетворенням.
Нехай, наприклад, — фокуси.
Існує прямокутна система координат (на рисунку — ), в якій рівняння лемніскати має вигляд
Необхідно визначити перетворення системи координат, що переводить в . Це перетворення здійснюється в два етапи: паралельне перенесення і поворот.
Середина відрізка — , значить паралельний перенос тільки на по осі :
Після переносу системи координат її потрібно повернути на деякий кут. Для визначення кута спочатку знайдемо відстань між фокусами:
значить .
Тепер із геометричних міркувань знайдемо синус і косинус кута нахилу до осі :
Формули перетворення:
Поєднавши обидва перетворення, отримаємо скінченні формули переходу:
Для того, щоб отримати рівняння в стандартній системі координат, підставимо ці співвідношення в вихідне рівняння кривої:
Після перетворень:
Це рівняння задає лемніскату з фокусами в стандартній прямокутній системі координат.
- Рівняння Чезаро[en] для лемніскати Бернуллі має вигляд:[1] [2]
де
— радіус кривини лемніскати Бернуллі в певній точці;
— довжина дуги лемніскати від її початку до цієї точки.
- Для довільної точки лемніскати Бернуллі з фокусами та справедливе наступне твердження (альтернативне означення лемніскати):
де — середина відрізка .
Отже :
- Лемніската — алгебрична крива четвертого порядку.
- Вона має дві осі симетрії: пряма, на якій лежить , і серединний перпендикуляр цього відрізка; для розглянутого випадку — вісь .
- Точка, де лемніската перетинає саму себе, називається вузловою чи подвійною точкою.
Для розглянутого випадку подвійною точкою лемніскати є початок координат.
- Дотичні в подвійній точці лемніскати — прямі , складають з відрізком кути і є взаємно перпендикулярними. [1]
- Кут між дотичною до лемніскати в її довільній точці радіус-вектором точки дотику дорівнює: [1]
- .
- Дотичні до лемніскати, які проведені на кінцях хорди, що проходить через її подвійну точку, паралельні між собою.
- Кут між перпендикуляром, проведеним до дотичної із початку координат, та полярною віссю втричі більший за полярний кут точки дотику. Таким чином, лемніскату можна використовувати для трисекції кута.[1]
- Лемніската Бернуллі перетинає вісь в точках
та .
- Крива має 2 максимуми і 2 мінімуми. Їх координати:
- Відстань від максимуму до мінімуму, що знаходяться по одну сторону від серединного перпендикуляра (осі в даному випадку) дорівнює відстані від максимуму (чи від мінімуму) до подвійної точки.
- Інверсія лемніскати з центром в подвійній точці, переводить леминіскату Бернуллі в синусоїдальну спіраль , тобто в рівнобічну гіперболу.[1]
- Подерою лемніскати Бернуллі є cинусоїдальна спіраль
Лемніската в свою чергу є подерою рівнобічної гіперболи.
- Лемніската є геометричним місцем точок, що симетричні з центром рівнобічної гіперболи, по відношенню до її дотичних. [1]
- Кінематично лемніскату можна отримати як траекторію середини великої ланки шарнірного антипаралелограма, протилежна ланка якого нерухомо закріплена.[1]
- Відрізок бісектриси кута між фокальними радіусами-векторами точки лемніскати дорівнює відрізку від центру лемніскати до перетину її осі з цією бісектрисою. [1]
- Геометричне місце проєкцій центрів кривини лемніскати на відповідні радіуси-вектори є також лемніската, рівняння якої:
Нехай лемніската Бернуллі задана рівнянням в полярній сисемі координат: . Тоді:
- Довжина дуги лемніскати між точками, що відповідають полярним кутам :
Виконавши заміну , приводимо інтеграл до виду:
де — неповний еліптичний інтеграл 1-го роду.
Довжина всієї лемніскати Бернуллі:
де — повний еліптичний інтеграл 1-го роду.
Перпендикуляр, проведений із фокуса лемніскати на радіус-вектор будь-якої її точки, ділить площу відповідного сектора навпіл.[1]
Площа кожної петлі: .
Тобто, площа, обмежена всією лемніскатою Бернуллі дорівнює площі квадрата зі стороною .[1]
- Радіус кривини лемніскати Бернуллі в довільній її точці можна обчислити за формулою:
- .
де — радіус-вектор цієї точки. — довжина полярної нормалі.
Тобто радіус кривини в довільній точці лемніскати втричі менший за довжину полярної нормалі в цій точці.[1]
Рівняння лемніскати в полярній системі:
Формули переходу до полярної системи координат:
Виразимо :
Підставимо в рівняння лемніскати і виразимо і :
— це параметричне рівняння відносно . Проводячи деякі тригонометричні перетворення, можна отримати рівняння відносно Формула радіуса кривизни кривої, заданої параметрично:
Знайдемо похідні по :
Підставимо в формулу радіуса:
Повернемося до рівняння лемніскати:
Підставимо цей вираз в отриману формулу радіуса і отримаємо:
Це один із найпростіших і найшвидших способів, однак потребує наявності додаткових пристосувань.
На площині вибираються дві точки — і — майбутні фокуси лемніскати. Складається спеціальна конструкція із трьох відрізків, скріплених в одну лінію так, щоб отримана лінія могла вільно вигинатися в двох місцях (точки вигину — та ). При цьому необхідно зберігати пропорції відрізків: . Кінці лінії закріплюються до фокусів. При непараллельному повертанні відрізків навколо фокусів середина центрального відрізка описуватиме лемніскату Бернуллі.
Будується коло радіуса з центром в одному із фокусів. Із середини фокусного відрізка будується довільна січна ( i — точки перетину з колом), і на ній в обидві сторони відкладаються відрізки і , рівні хорді . Точки , лежать на різних петлях лемніскати.
- Лемніската використовується як перехідна лінія на заокругленнях малого радіуса на залізничних коліях в гірничій місцевості, а також трамвайних коліях.
- Еквіпотегційні лінії поля, яке створюється двома паралельними токами, що протікають вздовж нескінченно довгих провідників, в площині, яка перпендикулярна до них, в окремих випадках є лемніскатами.
- Як довів Бонаті, Лемніската є кривою, що володіє тією властивістю, що матеріальна точка великої ваги, виходячи із стану спокою, під дією сили тяжіння переміщається по дузі лемніскати за той самий час, що і по відповідній хорді. При цьому, центр лемніскати збігається з початковим положенням рухомої точки, а її вісь нахилена щодо вертикалі під кутом 45°.[1]
- Григорій Михайлович Фіхтенгольц. Курс диференціального та інтегрального числення. — 2024. — 2403 с.(укр.)
- Gutenmacher Victor; Vasilyev N. B. (1980). Straight Lines and Curves. Moskou: Mir Publishers. с. 240.
- Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. — изд.10. — москва : Наука, 1973.
- Савелов А.А. Плоские кривые. Систематика, свойства, применение (справочное руководство). — москва : изд. физико-математической литературы, 1960.
- Robert C. Yates (1947). A Handbook on Curves and their Properties. digital reprint by www.CircuitousRoot.com. с. 198.
- Lockwood E. H. (Edward Harrington) (1961). A Book of Curves. Cambridge, Eng. : University Press. с. 198. ISBN 9780511569340.
- Weisstein, Eric W. Lemniscate(англ.) на сайті Wolfram MathWorld.
- Джон Дж. О'Коннор та Едмунд Ф. Робертсон. Lemniscate в архіві MacTutor (англ.)
- Robert FERRÉOL, LEMNISCATE OF BERNOULLI на сайті [1], 2017
- Hazewinkel, Michiel, ред. (2001), Bernoulli_lemniscate, Математична енциклопедія, Springer, ISBN 978-1-55608-010-4 *Fagnano e gli archi di lemniscata (Фаньяно та довжина дуги лемніскати) (італ.)
Це незавершена стаття з математики. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її. |