Конхоїда Нікомеда

Три конхоїди прямих з одним спільним центром (червона точка), для ― крива червоного кольору, для зеленого і для синього

Конхоїда Нікомедаконхоїда прямої, щодо точки, яка не лежить на ній. Є прикладом плоскої алгебричної кривої 4-го порядку.

Конхоїда Нікомеда має дві гілки, для яких пряма конхоїди є асимптотою.

Крива названа на честь давньогрецького математика Нікомеда, який застосовував її для трисекції кута і подвоєння куба.

Побудова

Побудова конхоїди Нікомеда
Приклади конхоїд Нікомеда

Нехай на площині вибрано пряму m і точку O, віддалену від прямої на відстань a. Проведемо через точку O промінь, що перетинає пряму m у певній точці N; точки M1 і M2, що лежать на промені ON і віддалені від точки N на заздалегідь обрану відстань l, будуть точками конхоїди. Змінюючи напрямок променя ON, можна побудувати всю конхоїду.

Рівняння

Декартові координати

Нехай вибрано систему координат так щоб точка O була початком координат, а пряма m задана рівнянням в декартових прямокутних координатах, як на рисунку справа. Нехай, як і на рисунку Якщо координати точки M1 є рівними x1 і y1 , то , де є кутом між віссю абсцис і прямою OM1 . Аналогічно, якщо координати точки M2 є рівними x2 і y2 , то

Зважаючи на довільність вибору точок можна одержати рівняння першої гілки конхоїди і для другої гілки . Разом обидві гілки можна описати рівнянням

Окрім точок конхоїди цьому рівнянню задовольняє також точка O (початок координат). Іноді у цьому випадку її вважають ізольованою точкою на конхоїді Нікомеда.

Якщо то ситуація фактично не змінюється крім того, що точка O належить одній із гілок конхоїди. Теж саме рівняння описує конхоїду у цьому випадку і O задовольняє рівнянню, тож її не потрібно виключати чи вважати особливою ізольованою точкою.

Натомість, якщо , то існують точки на одній із гілок для яких абсциси є від'ємними. Для таких точок тому вони теж задовольняють загальному рівнянню.

Отож загалом для точки O, яка є початком координат і прямої заданої рівнянням рівняння конхоїди є:

Це рівняння можливе для всіх значень Для одержується рівняння кола (яке часто вважається виродженим випадком конхоїди Нікомеда) і прямої

Полярні координати

Якщо, знову ж, точку O вибрати, як початок координаті, то точки прямої можна задати рівнянням де У цій формулі є кутом між віссю абсцис і прямою ON на рисунку. Звідси одержується рівняння у полярних координатах для однієї із гілок конхоїди: де У випадку для іншої гілки рівняння буде: де

Проте, якщо це рівняння описує лише точки з невід'ємними абсцисами у прямокутній системі координат.

Загалом можна розглянути два кути між віссю абсцис і прямою ON, а саме кут для якого і кут для якого . Якщо для деякого кута виконується нерівність то точка із координатами належить конхоїді. Якщо ж то конхоїді належить точка із полярними координатами або по іншому

При полярних координатах часто, якщо у рівнянні виконується тоді дане рівняння задає точку Тоді усю другу гілку конхоїди можна задати рівнянням де . З урахуванням цього у полярних координатах усе рівняння можна задати як:

де

Параметричне рівняння

Будь-яку точку на прямій можна задати координатами , де Одиничний вектор у напрямку прямої між точками O і N із координатами має координати і відповідно точки на прямій на відстані l від точки N мають координати .

Звідси одержується параметричне рівняння:

У цьому рівнянні і вибір конкретного знаку дає вибір певної гілки конхоїди.

Властивості

  • Конхоїда Нікомеда є прикладом алгебричної кривої 4-го порядку. Її проективна версія (яка задається однорідним рівнянням ) має також додаткову «точку в нескінченності» .
  • Конхоїда Нікомеда має дві гілки, для яких пряма конхоїди є асимптотою.
  • Для точка O = (0, 0) на лежить одній гілок конхоїди. Для ця точка не належить конхоїді але задовольняє загальному рівнянню. Тому часто також її розглядають як особливу точку кривої. Тоді для конхоїди Нікомеда ця точка:
  • Одна із гілок конхоїди Нікомеда є завжди гладкою. Для друга гілка і відповідно вся крива є гладкою (якщо не розглядати початок координат як окрему точку). Для друга гілка є гладкою всюди крім початку координат.
  • Для одна із гілок конхоїди має «петлю». У параметризації у полярних координатах ця петля задається як де
  • Нехай — кути, такі, що з двох точок перетину конхоїди із прямою визначеною кутом (не враховуючи перетину на початку координат) жодна із точок не лежить на «петлі». Зокрема можна взяти будь-які кути, що задовольняють нерівності. Тоді площа фігури обмежена променями із кутами і двома гілками конхоїди Нікомеда є рівна:
Зокрема при прямуванні до ця площа прямує до нескінченності. Відповідно площа фігури між двома гілками конхоїди є рівною нескінченності. Також нескінченності є рівною і площа між будь-якою гілкою і визначальною прямою оскільки для великих дві гілки є майже симетричними щодо цієї прямої.
  • Для площа петлі є рівною:

Нормалі та дотичні

Нормаль і дотична у заданій точці конхоїди можуть бути побудовані досить просто зважаючи на властивості полярних піднормалей кривої. Полярною піднормаллю у точці M називається відрізок, що одержується внаслідок перетину нормальної прямої до кривої у точці M і прямої, що проходить через початок координат O і є перпендикулярною до прямої OM. Якщо крива задана рівнянням у полярних координатах то довжина цього відрізку і його напрям визначається як . Оскільки у полярних координатах конхоїда описується як а асимптотична пряма для конхоїди: то їх похідні у точках на одному промені є рівними. Відповідно і полярні піднормалі є однаковими. Але полярні піднормалі для прямих побудувати просто.

Це дає покроковий алгоритм для побудови нормалі і дотичної до конхоїди у точці. Нехай дана конхоїда на рисунку вище і потрібно побудувати нормаль і дотичну у точці M1. Тоді

  1. Потрібно провести пряму OM1 і визначити точку N на асимптотичній прямій, як точку перетину цієї прямої і пряму OM1.
  2. Побудувати пряму, що проходить через точку O і є перпендикулярною до прямої OM1.
  3. Побудувати пряму, що проходить через точку N і є перпендикулярною до асимптотичної прямої.
  4. Визначити точку перетину P прямих із двох попередніх пунктів і провести пряму PM1. Ця пряма буде нормальною до конхоїди у точці M1.
  5. Побудувати пряму перпендикулярну до прямої PM1 у точці M1. Ця пряма буде дотичною до конхоїди у точці M1.

Альтернативний спосіб побудови

Побудова нормалі до конхоїди Нікомеда

Інший спосіб побудови нормалі для однієї із гілок конхоїди використовував Декарт, як приклад свого більш загального способу побудови нормалей і дотичних до кривих.

Процес побудови показаний на рисунку справа. Тут пряма на основі якої будується конхоїда є горизонтальною, а полюсом є точка A. Тоді кроками побудови нормалі у деякій точці C є:

  1. Побудова прямої AC і визначення точки перетину цієї прямої із асимптотичною прямою (точка E).
  2. Побудова прямої, що проходить через точку C і є перпендикулярною до асимптотичної прямої (і перетинає її у точці H).
  3. Відкладення відрізка CF довжина якого є рівною довжині відрізка CH.
  4. Побудова прямої , що проходить через точку F і є перпендикулярною до асимптотичної прямої.
  5. Відкладення на попередній прямій відрізка FG довжина якого є рівною довжині відрізка AE. Пряма CG тоді буде нормальною до конхоїди у точці C.

Доведення того, що точка G лежить на нормалі до конхоїди у точці C, згідно першого означення може буди вправою на застосування алгебричних методів у геометрії. Для цього можна використати, наприклад, параметричне рівняння конхоїди. Далі щоб викладення узгоджувалося з рисунком координати параметричного рівняння будуть поміняні місцями порівняно з попереднім.

Тоді точки на рисунку мають координати: Окрім того нехай P позначає точку перетину прямої перпендикулярної асимптотичної прямої, що проходить через E і прямої перпендикулярної до AC, що проходить через A. Згідно першого означення пряма CP буде нормальною до конхоїди у точці C. Для того щоб точка G лежала на цій прямій і, відповідно, сама визначала нормаль необхідно і достатньо щоб вектори і були паралельними.

Для визначення координат цих векторів спершу треба визначити координати точки P. Вона є перетином прямої і прямої, що проходить через початок координат і є перпендикулярною до прямої AC. Оскільки вектор є напрямним для прямої AC, то вектор вектор є напрямним до перпендикулярної і її можна записати параметрично: Тому для точки P виконується рівність звідки і тому . Звідси можна знайти координати одного із необхідних векторів:

Вектор є сумою векторів і Вектор є паралельним осі ординат, направлений у від'ємному напрямку і, за означенням його довжина є рівною довжині відрізка AE. Тому Вектор направлений паралельно прямої AC і протилежно до одиничного напрямного вектору Його довжина за означення є рівною довжині відрізка CH, тобто Тому Остаточно:

Загалом , тож два вектори дійсно є паралельними.

Трисекція кутів

Трисекція кута AÔB

Конхоїду Нікомеда можна використати для розв’язання задачі трисекції кутів. Нехай AÔB — довільний кут. З будь-якої точки на стороні проводиться перпендикуляр до сторони , і для прямої відносно полюса з константою будується конхоїда. Пряма, що є паралельною і проходить через точку , перетинає зовнішню гілку конхоїди у точці . Якщо провести пряму через точки і , то:

AÔC = AÔB

Недоліком цієї процедури є те, що вона вимагає окремої конхоїди, спеціалізованої для кожного кута, який потрібно розділити на три частини Це не так для деяких інших трисектрис (як, наприклад, трисектор Маклорена), які дозволяють будь-який кут розділити на три тією самою кривою.

Доведення

Нехай — точка перетину з , а — середина . Згідно означення конхоїди:

і тому

З іншого боку, є прямим кутом, а медіаною прямокутного трикутника основою якої є гіпотенуза , Тому довжина є рівною половині довжини гіпотенузи, тобто

LM = NM = OL.

З цього випливає, що трикутники , і є рівнобедреними, а тому:

LÔM = NML = 2 LĈM

Але LCM = COA, оскільки прямі і є паралельними, тому LÔM = 2 CÔA або також

BÔA = LÔA = 3 CÔA

Подвоєння куба

Подвоєння куба за допомогою конхоїди Нікомеда

Задача подвоєння куба фактично полягає у побудові відрізка довжиною для заданого відрізка довжиною

Позначивши алгоритм подвоєння куба з використанням конхоїди Нікомеда можна описати за допомогою послідовних кроків, зображених на рисунку праворуч:

  1. Побудова прямокутника для заданого відрізка довжиною де довжина сторони є рівною і ; тобто інша сторона прямокутника є вдвічі довшою ніж початкова.
  2. Побудова точки що ділить сторону навпіл.
  3. Побудова прямої лінії через точки і , визначення точки на перетині цієї прямої із прямою, що містить сторону Довжина відрізка є рівною довжині відрізка
  4. Побудова точки що ділить сторону навпіл.
  5. Побудова прямої перпендикулярної до що проходить через точку
  6. Побудова кола, з центром у точці що проходить через точку ( його радіус буде рівним . Нехай є перетином цього кола із перпендикуляром із попереднього пункту.
  7. Побудова прямої , що проходить через і є паралельною до прямої
  8. Побудова конхоїди Нікомеда із полюсом , прямою і відстанню . Нехай позначає перетих кривої із прямою
  9. Побудова точки , як точки перетину прямих і Довжина тоді і буде рівною

Доведення

Позначимо і . Тоді і і, з теореми Піфагора:

З подібності трикутників випливає, що і оскільки і то з попередніх пропорцій випливає, що:

Після піднесення до квадрату

або

Попередня рівність еквівалентна або після спрощення

Оскільки не є рівним нулю, то тобто

З подібності трикутників ми маємо, що і, отже, або по іншому Після піднесення до кубу і з використанням рівності випливає що або спрощуючи

Враховуючи, що то також

Остаточно

тобто довжина буде рівною

Див. також

Посилання

Література

  • J. Dennis Lawrence (1972). A catalog of special plane curves. Dover Publications. с. 135 - 139. ISBN 0-486-60288-5.