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.
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:
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.
Приклад
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.
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]: стор.155
Кут між дотичною до лемніскати в її довільній точці радіус-вектором точки дотику дорівнює: [1]: стор.156
.
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]: стор.156
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]: стор.157
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]: стор.157
Кінематично лемніскату можна отримати як траекторію середини великої ланки шарнірного антипаралелограма, протилежна ланка якого нерухомо закріплена.[1]: стор.158
Відрізок бісектриси кута між фокальними радіусами-векторами точки лемніскати дорівнює відрізку від центру лемніскати до перетину її осі з цією бісектрисою. [1]: стор.158
Геометричне місце проєкцій центрів кривини лемніскати на відповідні радіуси-вектори є також лемніската, рівняння якої:
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.
Площа полярного сектора, що відповідає кутам , при : [1]: стор.159
.
Перпендикуляр, проведений із фокуса лемніскати на радіус-вектор будь-якої її точки, ділить площу відповідного сектора навпіл.[1]: стор.159
Площа кожної петлі:
.
Тобто, площа, обмежена всією лемніскатою Бернуллі дорівнює площі квадрата зі стороною .[1]: стор.159
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]: стор.156
Вивід
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:
Побудова
Побудова лемніскати з допомогою трьох відрізків.
З допомогою трьох відрізків
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.
Застосування
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]: стор.161-162