Кубика
У математиці, плоска кубічна крива (або плоска крива третього степеня) — це плоска алгебрична крива , загальне рівняння якої в декартовій системі координат має вигляд:
де хоча б один з коефіцієнтів A, B, C, D не дорівнює нулю.

Загальне рівняння кривої 3-го порядку має 10 коефіцієнтів. Оскільки крива не зміниться, якщо рівняння помножити на довільне ненульове число, то належним підбором множника можна будь-який коефіцієнт рівняння зробити рівним 1, і, таким чином, залишити 9 коефіцієнтів.
Отже, простір кубічних кривих можна ототожнити з дійсним проєктивним простором розмірності 9, відносно будь-якого даного поля C.
Звідси також випливає, що оскільки кубика має 9 ступенів вільності, то згідно з Шаблон:Не перекладено довільні 9 точок площини в загальному положенні однозначно визначають єдину невироджену криву 3-го порядку. Аналогічно до того, як дві точки однозначно визначають пряму, а Шаблон:Нп.
Якщо через задану множину дев'яти точок проходять дві криві, то ці точки фактично визначають сімейство кубічних кривих, та мають додаткові властивості; див. Шаблон:Нп.

Невироджена плоска крива 3-го порядку може мати такі сингулярні (тобто особливі) точки: одну вузлову (подвійну) точку, або одну точку звороту (касп). В цьому випадку вона має параметризацію в термінах проєктивної прямої.
Вироджена плоска крива 3-го порядку (це або коніка та пряма, або три прямі), може мати дві подвійні вузлові точки чи точку самодотику (у випадку конічного перерізу і прямої), або до трьох подвійних точок чи однієї потрійної точки (конкурентні прямі у випадку трьох прямих).
Дійсні точки кубічних кривих вивчалися Ісааком Ньютоном. Дійсні точки несингулярної проєктивної кривої потрапляють до одного або двох «овалів». Один з цих овалів перетинає кожну дійсну проєктивну пряму, і, таким чином, не обмежений у випадку, коли крива розглядається в евклідової площині. Він існує у вигляді одної або трьох нескінченних гілок, що містять три дійсні точки перегину. Інший овал, якщо він існує, не містить жодної дійсної точки перегину і може бути або у вигляді овалу, або у вигляді двох нескінченних гілок. Як і для конічних перетинів, пряма перетинає цей овал не більше ніж у двох точках.
Несингулярна кубічна крива визначає еліптичну криву, над будь-яким полем C, для якого вона має визначену точку. Еліптичні криві тепер, зазвичай, вивчаються у вигляді еліптичних функцій Вейєрштрасса, які визначають квадратичне розширення поля раціональних функцій, зроблених шляхом добування квадратного кореня з кривої. Це залежить від наявності K-раціональної точки, яка слугує точкою на нескінченності в формі Вейерштрасса. Існує багато кубічних кривих, які не мають таку точку, наприклад, коли K — поле раціональних чисел.
Можна розглядати криві 3-го степеня над іншими полями (або навіть кільцями), наприклад, над комплексними числами. Окрім того, можна розглядати криві в проєктивній площині, що задаються однорідними багаточленами.
Альтернативне означення:
Плоска кубічна крива — це алгебрична крива , що задана кубічним рівнянням F(x, y, z) = 0 в однорідних координатах Шаблон:Nowrap проєктивної площини.
У випадку неоднорідних координат афінного простору, у рівнянні приймають Шаблон:Nowrap. Функція F є ненульовою лінійною комбінацією щонайбільше десяти одночленів третього степеня: x3, y3, z3, x2y, x2z, y2x, y2z, z2x, z2y, xyz.
Класифікація кривих третього порядку
Вперше класифікацію кривих 3-го порядку здійснив І. Ньютон в 1704 році, описавши в своїй роботі 72 криві. Однак пізніше Дж. Стірлінг та Ф. Ніколь доповнили його класифікацію ще шістьма кривими, які Ньютон неврахував.
Найбільш зручний принцип, що покладається в основу класифікації кривих 3-го порядку, є розподіл їх на групи в залежності від кількости та характеру їх нескінченних гілок.
Класифікація Ньютона
І.Ньютон , застосовуючи елементарні перетворення, зводить загальне рівняння 3-го степеня (див. попередній розділ) до однієї з чотирьох канонічних форм:Шаблон:SfnШаблон:Rp
Потім за коефіцієнтами канонічного рівняння він формує допоміжне характеристичне рівняння 4-го (або 3-го) степеня:
або
В залежности від різних співвідношень між коренями характеристичного рівняння, Ньютон поділяє всі криві 3-го порядку на 7 класів, 14 родів та 72 типи.
- Криві, рівняння яких зводиться до канонічної форми , Ньютон поділяє на 4 класи:
Клас 1 Гіперболічні гіперболи (розділяються в свою чергу на 4 роди):
- Адіаметральні — без діаметрів; (9 типів кривих);
- Монодіаметральні — з одним діаметром; (12 типів кривих);
- Тридіаметральні — з трьома діаметрами; (2 типа кривих);
- Гіперболічні гіперболи з асимптотами, що перетинаються в одній точці ; (9 типів кривих).
Клас 2 Дефективні гіперболи :
- Адіаметральні ; (6 типів кривих);
- Монодіаметральні ; (7 типів кривих).
Клас 3 Параболічні гіперболи :
- Адіаметральні ; (7 типів кривих);
- Монодіаметральні ; (4 типа кривих).
Клас 4 Гіперболізми конічних перетинів :
- Гіперболізм гіперболи ; (4 типа кривих);
- Гіперболізм еліпса ; (3 типа кривих);
- Гіперболізм параболи ; (2 типа кривих).
- Криві, рівняння яких зводиться до канонічних форм , та налічуюють по одному класу:
Клас 5 Тризуб або Параболізм гіперболи;
Клас 6 Розбіжна парабола (цей клас поділяється на 5 типів);
Клас 7 Кубічна парабола.
Класифікація Плюккера
Ю. Плюккер класифікує криві 3-го порядку (1835 р.) в задежности від положення асимптот та прямої , що з'єднує точки перетину кривої з асимптотами.
Плюккер поділяє всі криві 3-го порядка на 6 класів:Шаблон:SfnШаблон:Rp
1-й клас містить гіперболічні та дефективні гіперболи. Криві цього класу мають три прямолінійні асимптоти.
2-й клас містить параболічні гіперболи, що мають одну прямолінійну та одну параболічну асимптоти.
3-й клас містить гіперболізми конічних перетинів. У кривих цього класу дві з трьох прямолінійних асимптот паралельні між собою.
4-й клас містить розбіжні параболи, асимптотою яких є також розбіжна парабола.
5-й клас містить тризубці, що мають одну прямолінійну та одну параболічну асимптоти.
6-й клас містить кубічні параболи, які не мають асимптот.
Криві одного класу Плюкер поділяє на категорії, роди, види, групи та типи. Всього він налічує 219 типів кривих 3-го порядку.
Властивості кривих третього порядку
Формули Плюккера
- Нехай
— порядок кривої ;
— клас кривої (визначається кількістю дотичних до кривої, які можна провести з точки, що лежить поза кривою);
— кількість точок звороту;
— кількість інших подвійних точок ;
— кількість точок перегину;
— кількість подвійних дотичних;
— дефіцієнт кривої (різниця між можливою та наявною кількістю подвійних точок).
Згідно зі своїми Шаблон:Не перекладено, Юліус Плюккер для кривої третього порядку представив ці залежності у вигляді таблиці, виділивши три типи кривих 3-го порядку:Шаблон:SfnШаблон:Rp Шаблон:SfnШаблон:Rp
| Тип | n | k | r | d | ω | t | p |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (I) | 3 | 6 | 0 | 0 | 9 | 0 | 1 |
| (II) | 3 | 4 | 0 | 1 | 3 | 0 | 0 |
| (III) | 3 | 3 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
Криві типів (II) та (III) є раціональними кубиками, та відомі як нодальні (мають особливу вузлову точку (або точку самоперетину), з двома дотичними в ній) та каспідальні (мають особливу точку звороту — касп) кубики відповідно. Криві типу (I) є несингулярними кубиками (без особливих точок), тобто еліптичними кривими.
Теореми
- 1 Теорема Маклорена
Якщо в трьох точках перетину кривої 3-го порядку з деякою прямою провести до цієї кривої дотичні, то точки їх перетину з кривою лежать також на одній прямій.Шаблон:SfnШаблон:Rp
- 2 Якщо пряма проходить через дві точки перегину кривої 3-го порядку, то вона обов'язково пройде і через третю точку перегину.Шаблон:SfnШаблон:Rp
Згідно з цією теоремою, якщо крива має три точки перегину, то вони обов'язково дежать га одній прямій.
- 3 Якщо через чотири точки кривої 3-го порядку проведена крива 2-го порядку, яка перетинає задану криву ще в двох точках, то пряма, що проведена через ці дві точки, перетинає криву 3-го порядку в певній точці, що спільна для всіх кривих 2-го порядку, які проходять через чотири задані точки.Шаблон:SfnШаблон:Rp
Точки перегину, кратні точки
Відомо, що точки перегину алгебричної кривої збігаються з точками перетину цієї кривої та її гесіани.Шаблон:SfnШаблон:Rp Шаблон:Рамкап Гесіаною алгебричної кривої називається крива, що визначається рівнянням
Шаблон:/рамка Гесіана кривої 3-го порядку є крива 3-го порядку. Звідки випливає, що максимальна кількість точок перегину у кривої 3-го порядку не перевищує дев'яти. З них дійсними точками можуть бути лише три.
- Як довів Ф.Кляйн [1] Шаблон:Rp для кривої (крива n-го порядку та k-го класу) має місце співвідношення:
де
— кількість дійсних точок перегину;
— кількість дійсних точок звороту;
— кількість дійсних ізольованих точок;
— кількість дійсних ізольованих дотичних.
З цих співвідношень випливає, що крива має або три дійсні точки перегину (неособлива та з ізольованою точкою), або ж одну дійсну точку перегину ( з вузловою точкою та ).
- Крива 3-го порядку з вузловою точкою має одну дійсну точку перегину та дві уявні. У кривої 3-го порядку з ізольованою точкою всі три точки перегину дійсні.
Кожна крива 3-го порядку, яка не має подвійної точки, має щонайменше одну дійсну точку перегину (яка може бути і нескінченно віддаленою).Шаблон:SfnШаблон:Rp
- Крива 3-го порядку не може мати бьш ніж одну подвійну точку, а також не може мати потрійних точок.
- Крива не може мати уявних подвійних точок, а також подвійних дотичних, оскільки подвійна дотична має з кривою не менш ніж чотири спільні точки.
- Криві 3-го порядку, які мають подвійну точку, є раціональними кривими.
Помістивши початок координат в подвійну точку, отримаємо рівняння кривої 3-го порядку у вигляді:
Установивши, що отримаємо параметричні рівняння кривої 3-го порядку: , які є раціональними.
Раціональна крива 3-го порядку з вузловою (подвійною) точку, або точкою звороту (каспом), має одну дійсну точку перегину, а крива з ізольованою точкою — три дійсні точки перегину.Шаблон:SfnШаблон:Rp
Полюси та поляри
Криву 2-го порядку, на якій лежать точки дотику дотичних, що проведені до кривої 3-го порядку з точки називають першою полярою точки P відносно кривої , а саму точку — полюсом.
Її рівняння в однорідних координатах Шаблон:Nowrap:
Точка також має поляру відносно цієї кривої 2-го порядку; її називають другою полярою точки P відносно кривої 3-го порядку. Ця поляра є прямою з рівнянням:
- Перша поляра є геометричним місцем точок, другі поляри яких проходять через полюс;
- Друга поляра є геометричним місцем точок, перші поляри яких проходять через полюс.
Якщо полюс знаходиться на самій кривій, то друга поляра збігається з дотичною. Оскільки при цьому полюс знаходиться на першій полярі, то друга торкається першої в полюсі, а отже, крива 3-го порядку та її перша поляра мають в полюсі дві спільні точки, що збігаються одна з одною. А отже, кількість інших їх спільних точок не перевищує 4.
- Друга поляра нескінченно віддаленої точки відносно кривої 3-го порядку є діаметром цієї кривої, та має рівняння:
де — кутовий коефіцієнт хорд, до яких цей діаметр є спряженим.
- Кожна хорда кривої 3-го порядку гармонічно ділиться цією кривою та першою полярою однієї з точок перетину цієї хорди з кривою.
- Перша поляра точки перегину є виродженою кривою 2-го порядку, а саме парою прямих, що перетинаються. Одна з цих прямих є дотичною до кривої 3-го порядку, а другу називають гармонійною полярою точки перегину кривої 3-го порядку.
Гармонійна поляра є геометричним місцем четвертих гармонічних точок щодо трьох точок перетину з кривою хорд, що проходять через точку перегину.Шаблон:SfnШаблон:Rp
Приклади кривих 3-го порядку
Нижче наведено низку прикладів кривих 3-го порядку та їх рівняння
-
Кубічна парабола
-
Кубічна парабола/ графік функції полінома третього степеня
y = ax3+bx2+cx+d -
Конхоїда Слюза
(x-1)(x2+y2) = ax2 -
Кубика з подвійною точкою
-
Тризуб
xy+ax3+bx2+cx = d -
Трисектриса Маклорена
2x(x2+y2) = a(3x2-y2)
Кубічні криві в площині трикутника
Нехай ABC — трикутник з довжинами сторін a = | BC |, b = | CA |, c = | AB |.
Всі кубічні криві, описані в цьому розділі, проходять через чудові точки трикутника.
У прикладах, наведених нижче, використовуються два види однорідних координат: трилінійні та барицентричні. Для переходу від трилінійних координат до барицентричних в кубічному рівнянні слід зробити заміну наступним чином:
для переходу від барицентричних координат до трилінійних використовується заміна:
Більшість рівнянь кривих 3-го порядку мають вигляд:
У наведених нижче прикладах, такі рівняння записуються більш коротко в «циклічному запису суми», тобто:
Кубічні криві, що описані нижче, можна означити через ізогональне спряження Шаблон:Mvar точки , яка не лежить на стороні Шаблон:Math.
Точка Шаблон:Mvar будується наступним чином. Нехай — лінія, що отримана шляхом відбиття лінії відносно бісектриси внутрішнього кута ;
і означаються аналогічно. Тоді три лінії , та перетинаються в одній точці Шаблон:Mvar.
В трилінійних координатах: якщо то
Кубика Нойберга

Рівняння в трилінійних координатах:
Рівняння в барицентричних координатах:
Кубика Нойберга (названа на честь Шаблон:Нп) — це геометричне місце точок точок (ГМТ) таких, що ізогонально спряжені до них точки Шаблон:Mvar знаходяться на прямій , де є точкою нескінченності Ейлера (X(30) в Енциклопедії центрів трикутника).
Крім того, ця кубика є ГМТ точок , таких, що трикутник Шаблон:Math є перспективним до Шаблон:Math (тобто прямі Шаблон:Mvar перетинаються в одній точці), де точки Шаблон:Math отримані шляхом відбиття точки відносно прямих , відповідно.
Кубика Нойберга проходить через наступні чудові точки трикутника: центр вписаного кола, центр описаного кола, ортоцентр, обидві точки Ферма, обидва ізодинамічних центра, точку нескінченності Ейлера, центри зовнівписаних кіл, основи висот Шаблон:Math (вершини ортотрикутника), вершини шести рівносторонніх трикутників, побудованих на сторонах Шаблон:Math та інші центри трикутника.
Графіки і властивості кубик Нойберга див. Кубику K001 Берхарда Гіберта в площині трикутника Шаблон:Webarchive.
Кубика Томсона

Рівняння в трилінійних координатах:
Рівняння в барицентричних координатах:
Кубика Томсона — це ГМТ точок для яких ізогонально спряжена точка Шаблон:Mvar знаходиться на прямій , де є центроїдом трикутника Шаблон:Math.
Кубика Томсона проходить через наступні чудові точки трикутника: центр вписаного кола, центроїд, центр описаного кола, ортоцентр, точка Лемуана, вершини , центри зовнівписаних кіл, середини сторін , і середини висот Шаблон:Math, інші центри трикутника.
Для кожної точки на кубиці, окрім тих, що належать також сторонам трикутника, ізогонально спряжена до точка також лежить на кубиці.
Графіки і властивості див. Кубику K002 в площині трикутника Шаблон:Webarchive.
Кубика Дарбу

Рівняння в трилінійних координатах:
Рівняння в барицентричних координатах:
Кубика Дарбу — це ГМТ точок , для кожної з яких ізогонально спряжена точка Шаблон:Mvar лежить на прямій , де — Шаблон:Нп.
Також кубика Дарбу є ГМТ точок для кожної з яких її подерний трикутник відносно трикутника Шаблон:Math є також чевіанним трикутником деякої точки (яка лежить на кубиці Лукаса).
Також ця кубика є ГМТ точок , для кожної з яких її подерний та античевіанний трикутники є перспективними; центр перспективи лежить на кубиці Томсона.
Кубика Дарбу проходить через наступні чудові точки трикутника: центр вписаного кола, центр описаного кола, ортоцентр, точку Лоншама, вершини , центри зовнівписаних кіл, точки описаного кола, діаметрально протилежні до вершин , інші центри трикутника.
Для кожної точки на кубиці, окрім тих, що належать також сторонам трикутника, ізогонально спряжена до точка також лежить на кубиці.
Графіки і властивості див. Кубику K004 в площині трикутника Шаблон:Webarchive.
Кубика Наполеона — Феєрбаха
Рівняння в трилінійних координатах:
Рівняння в барицентричних координатах:
Кубика Наполеона — Феєрбаха — це ГМТ точок Шаблон:Mvar, для кожної з яких ізогонально спряжена точка Шаблон:Mvar лежить на прямій , де — центр кола дев'яти точок (N = X(5) в Енциклопедії центрів трикутника).
Кубика Наполеона — Феєрбаха проходить через центри вписаного і описаного кіл, ортоцентр, першу і другу точки Наполеона, вершини , центри зовнівписаних кіл, проєкції центроїда на висоти і центри 6-ти рівносторонніх трикутників, побудованих на сторонах Шаблон:Math, інші центри трикутника.
Графіки і властивості див. Кубику K005 в площині трикутника Шаблон:Webarchive.
Кубика Лукаса

Рівняння в трилінійних координатах:
Рівняння в барицентричних координатах:
Кубика Лукаса — це ГМТ точок Шаблон:Mvar, для кожної з яких її чевіанний трикутник є подерним трикутником деякої точки Шаблон:Mvar, що лежить на кубиці Дарбу.
Кубика Лукаса проходить через центроїд, ортоцентр, точку Жергона, точку Нагеля, точку Лоншама, інші центри трикутника, вершини антисерединного трикутника і фокуси еліпса Штейнера.
Графіки і властивості див. Кубику K007 в площині трикутника Шаблон:Webarchive.