Лемніската Бернуллі

Лемніската і її фокуси
Лемніската Бернуллі
Названо на честь Якоб Бернуллі Редагувати інформацію у Вікіданих
Формула і  Редагувати інформацію у Вікіданих
Підтримується Вікіпроєктом Вікіпедія:Проєкт:Математика Редагувати інформацію у Вікіданих
CMNS: Лемніската Бернуллі у Вікісховищі Редагувати інформацію у Вікіданих

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.

Рівняння

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:

Вивід

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:
Вивід

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

Вивід

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 :

, 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.

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.

де
 — радіус кривини лемніскати Бернуллі в певній точці;
 — довжина дуги лемніскати від її початку до цієї точки.

Властивості та особливості форми

Лемніската, вписана в коло
Лемніската, вписана в коло
  • Для довільної точки лемніскати Бернуллі з фокусами та справедливе наступне твердження (альтернативне означення лемніскати):

де — середина відрізка .

Доведення

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] : 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.

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:

Метричні характеристики

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.


  • 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.

За допомогою січних (спосіб Маклорена)

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

Див. також

Примітки

Література

  • Григорій Михайлович Фіхтенгольц. Курс диференціального та інтегрального числення. — 2025. — 2391 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.

Посилання


Prefix: a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Portal di Ensiklopedia Dunia

Kembali kehalaman sebelumnya