Кубика

Матеріал з testwiki
Перейти до навігації Перейти до пошуку

У математиці, плоска кубічна крива (або плоска крива третього степеня) — це плоска алгебрична крива K3, загальне рівняння якої в декартовій системі координат має вигляд:

Ax3+3Bx2y+3Cxy2+Dy3+3Ex2+6Fxy+3Gy2+Hx+Iy+K=0

де хоча б один з коефіцієнтів A, B, C, D не дорівнює нулю.

Приклади кривих 3-го порядку.

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 P9 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.

Сингулярна кубічна крива Шаблон:Nowrap. Параметризація: Шаблон:Nowrap.

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 K3, 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

Шаблон:Main

І.Ньютон , застосовуючи елементарні перетворення, зводить загальне рівняння 3-го степеня (див. попередній розділ) до однієї з чотирьох канонічних форм:Шаблон:SfnШаблон:Rp

A:xy2+ey=ax3+bx2+cx+d;B:xy=ax3+bx2+cx+d;C:y2=ax3+bx2+cx+d;D:y=ax3+bx2+cx+d.

Потім за коефіцієнтами канонічного рівняння він формує допоміжне характеристичне рівняння 4-го (або 3-го) степеня:

ax4+bx3+cx2+dx+e24=0

або

ax3+bx2+cx+d=0

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 A, Ньютон поділяє на 4 класи:

Клас 1 Гіперболічні гіперболи (a>0) (розділяються в свою чергу на 4 роди):

  1. Адіаметральні (e0) — без діаметрів; (9 типів кривих);
  2. Монодіаметральні (e=0;b24ac) — з одним діаметром; (12 типів кривих);
  3. Тридіаметральні (e=0;b2=4ac) — з трьома діаметрами; (2 типа кривих);
  4. Гіперболічні гіперболи з асимптотами, що перетинаються в одній точці (b=0); (9 типів кривих).

Клас 2 Дефективні гіперболи (a<0):

  1. Адіаметральні (e0); (6 типів кривих);
  2. Монодіаметральні (e=0); (7 типів кривих).

Клас 3 Параболічні гіперболи (a=0;b0):

  1. Адіаметральні (e0); (7 типів кривих);
  2. Монодіаметральні (e=0); (4 типа кривих).

Клас 4 Гіперболізми конічних перетинів (a=b=0):

  1. Гіперболізм гіперболи (c>0); (4 типа кривих);
  2. Гіперболізм еліпса (c<0); (3 типа кривих);
  3. Гіперболізм параболи (c=0); (2 типа кривих).
  • Криві, рівняння яких зводиться до канонічних форм B, C та D 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 s, 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

  1. Нехай

n=k(k1)2t3ω — порядок кривої ;
k=n(n1)2d3r — клас кривої (визначається кількістю дотичних до кривої, які можна провести з точки, що лежить поза кривою);
r=3k(k2)6t8ω — кількість точок звороту;
d — кількість інших подвійних точок ;
ω=3n(n2)6d8r — кількість точок перегину;
t — кількість подвійних дотичних;
p — 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. 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

  1. 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.

  1. 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 F(x,y)=0 називається крива, що визначається рівнянням

|FxxFxyFxFxyFyyFyFxFy0|=0

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 Knk (крива n-го порядку та k-го класу) має місце співвідношення:
n+ω+2t=k+r+d

де
ω — кількість дійсних точок перегину;
r — кількість дійсних точок звороту;
d — кількість дійсних ізольованих точок;
t — кількість дійсних ізольованих дотичних.
З цих співвідношень випливає, що крива K3 має або три дійсні точки перегину (неособлива K3 та K34 з ізольованою точкою), або ж одну дійсну точку перегину (K34 з вузловою точкою та K33).

  • 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 K3 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:

Ax3+3Bx2y+3Cxy2+Dy3+3Ex2+6Fxy+3Gy2=0

Установивши, що y=tx отримаємо параметричні рівняння кривої 3-го порядку: {x(t)=3(E+2Ft+Gt2)A+3Bt+3Ct2+Dt3y(t)=3t(E+2Ft+Gt2)A+3Bt+3Ct2+Dt3 , 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 F(x,y,z)=0 з точки P(x1,y1,z1) називають першою полярою точки P відносно кривої F(x,y,z)=0, а саму точку P — полюсом.
Її рівняння в однорідних координатах Шаблон:Nowrap:

x1(Ax2+2Bxy+Cy2+2Exz+2Fyz+Hz2)++y1(Bx2+2Cxy+Dy2+2Fxz+2Gyz+Kz2)++z1(Ex2+2Fxy+Gy2+2Hxz+2Kyz+Lz2)=0

Точка P 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:

x(Ax12+2Bx1y1+Cy12+2Ex1z1+2Fy1z1+Hz12)++y(Bx12+2Cx1y1+Dy12+2Fx1z1+2Gy1z1+Kz12)++z(Ex12+2Fx1y1+Gy12+2Hx1z1+2Ky1z1+Lz12)=0
  1. Перша поляра є геометричним місцем точок, другі поляри яких проходять через полюс;
  2. 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:
(A+2Bm+Cm2)x+(B+2Cm+Dm2)y+(E+2Fm+Gm2)=0

де m — 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

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:

xbcx,ycay,zabz;

для переходу від барицентричних координат до трилінійних використовується заміна:

xax,yby,zcz.

Більшість рівнянь кривих 3-го порядку мають вигляд:

f(a,b,c,x,y,z)+f(b,c,a,y,z,x)+f(c,a,b,z,x,y)=0.

У наведених нижче прикладах, такі рівняння записуються більш коротко в «циклічному запису суми», тобто:

cyclicf(x,y,z,a,b,c)=0

Кубічні криві, що описані нижче, можна означити через ізогональне спряження Шаблон:Mvar точки X, яка не лежить на стороні Шаблон:Math. Точка Шаблон:Mvar будується наступним чином. Нехай LA — лінія, що отримана шляхом відбиття лінії XA відносно бісектриси внутрішнього кута A;
LB і LC означаються аналогічно. Тоді три лінії LA, LB та LC перетинаються в одній точці Шаблон:Mvar.
В трилінійних координатах: якщо X=x:y:z, то X*=1x:1y:1z.

Кубика Нойберга

Кубика Нойберга трикутника Шаблон:Math

Рівняння в трилінійних координатах:

cyclic(cosA2cosBcosC)x(y2z2)=0

Рівняння в барицентричних координатах:

cyclic(a2(b2+c2)+(b2c2)22a4)x(c2y2b2z2)=0

Кубика Нойберга (названа на честь Шаблон:Нп)  — це геометричне місце точок точок X (ГМТ) таких, що ізогонально спряжені до них точки Шаблон:Mvar знаходяться на прямій EX, де E є точкою нескінченності Ейлера (X(30) в Енциклопедії центрів трикутника).
Крім того, ця кубика є ГМТ точок X, 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 X відносно прямих BC,CA,AB, 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

Приклад кубики Томсона (чорна крива). Точка X знаходиться на кубиці, таким чином, ізогонально спряжена до неї точка X* лежить на прямій X(2)X.

Рівняння в трилінійних координатах:

cyclicbcx(y2z2)=0

Рівняння в барицентричних координатах:

cyclicx(c2y2b2z2)=0

Кубика Томсона — це ГМТ точок X для яких ізогонально спряжена точка Шаблон:Mvar знаходиться на прямій GX, де G є центроїдом трикутника Шаблон:Math.

Кубика Томсона проходить через наступні чудові точки трикутника: центр вписаного кола, центроїд, центр описаного кола, ортоцентр, точка Лемуана, вершини A,B,C, центри зовнівписаних кіл, середини сторін BC,CA,AB, і середини висот Шаблон:Math, інші центри трикутника.

Для кожної точки P на кубиці, окрім тих, що належать також сторонам трикутника, ізогонально спряжена до P точка також лежить на кубиці.

Графіки і властивості див. Кубику K002 в площині трикутника Шаблон:Webarchive.

Кубика Дарбу

Кубика Дарбу трикутника Шаблон:Math: Геометричне місце точок Шаблон:Mvar таких, що якщо Шаблон:Mvar є підставами перпендикулярів, проведених з Шаблон:Mvar на сторони Шаблон:Mvar, то прямі Шаблон:Mvar перетинаються в одній точці.

Рівняння в трилінійних координатах:

cyclic(cosAcosBcosC)x(y2z2)=0

Рівняння в барицентричних координатах:

cyclic(2a2(b2+c2)+(b2c2)23a4)x(c2y2b2z2)=0

Кубика Дарбу — це ГМТ точок X, для кожної з яких ізогонально спряжена точка Шаблон:Mvar лежить на прямій LX, де L  — Шаблон:Нп.
Також кубика Дарбу є ГМТ точок X 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 X, 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 A,B,C, центри зовнівписаних кіл, точки описаного кола, діаметрально протилежні до вершин A,B,C, інші центри трикутника.

Для кожної точки P на кубиці, окрім тих, що належать також сторонам трикутника, ізогонально спряжена до P точка також лежить на кубиці.

Графіки і властивості див. Кубику K004 в площині трикутника Шаблон:Webarchive.

Кубика Наполеона — Феєрбаха

Рівняння в трилінійних координатах:

cycliccos(BC)x(y2z2)=0

Рівняння в барицентричних координатах:

cyclic(a2(b2+c2)+(b2c2)2)x(c2y2b2z2)=0

Кубика Наполеона — Феєрбаха — це ГМТ точок Шаблон:Mvar, для кожної з яких ізогонально спряжена точка Шаблон:Mvar лежить на прямій NX, де N  — 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 A,B,C, 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

Кубика Лукаса трикутника Шаблон:Math: геометричне місце точок Шаблон:Mvar, для кожної з яких її чевіанний трикутник є подерним трикутником деякої точки Шаблон:Mvar, що лежить на кубиці Дарбу.

Рівняння в трилінійних координатах:

cycliccos(A)x(b2y2c2z2)=0

Рівняння в барицентричних координатах:

cyclic(b2+c2a2)x(y2z2)=0

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.

Див. також

Примітки

Шаблон:Reflist

Література

Посилання

Шаблон:Криві