Перейти до вмісту

Кубика

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

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.

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 розмірності 9, відносно будь-якого даного поля C.

Звідси також випливає, що оскільки кубика має 9 ступенів вільності, то згідно з теоремою Крамера про алгебричні криві[en] 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 п'ять точок визначають коніку[en].

Якщо через задану множину дев'яти точок проходять дві криві, то ці точки фактично визначають сімейство кубічних кривих, та мають додаткові властивості; див. теорему Келі-Бакараха[en].

Сингулярна кубічна крива y2 = x2 ⋅ (x + 1). Параметризація: t ↦ (t2 − 1, t ⋅ (t2 − 1)).

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 x:y:z проєктивної площини.

У випадку неоднорідних координат афінного простору, у рівнянні приймають z = 1. 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

[ред. | ред. код]

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

[ред. | ред. код]

І.Ньютон , застосовуючи елементарні перетворення, зводить загальне рівняння 3-го степеня (див. попередній розділ) до однієї з чотирьох канонічних форм:[1]:стор.8

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):

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

Клас 2 Дефективні гіперболи :

  1. Адіаметральні ; (6 типів кривих);
  2. Монодіаметральні ; (7 типів кривих).

Клас 3 Параболічні гіперболи :

  1. Адіаметральні ; (7 типів кривих);
  2. Монодіаметральні ; (4 типа кривих).

Клас 4 Гіперболізми конічних перетинів :

  1. Гіперболізм гіперболи ; (4 типа кривих);
  2. Гіперболізм еліпса ; (3 типа кривих);
  3. 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

[ред. | ред. код]

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:[1]:стор.28-30
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

[ред. | ред. код]

Формули Плюккера

[ред. | ред. код]
  1. 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 формулами[en], Юліус Плюккер для кривої третього порядку представив ці залежності у вигляді таблиці, виділивши три типи кривих 3-го порядку:[1]:стор.95 [2]:стор.201

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

[ред. | ред. код]
  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.[3]:стор.54

  1. 2 Якщо пряма проходить через дві точки перегину кривої 3-го порядку, то вона обов'язково пройде і через третю точку перегину.[3]:стор.55

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.[3]:стор.55

Точки перегину, кратні точки

[ред. | ред. код]

Відомо, що точки перегину алгебричної кривої збігаються з точками перетину цієї кривої та її гесіани.[3]:стор.56


Гесіаною алгебричної кривої називається крива, що визначається рівнянням

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 [4] :стор.161 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).[3]:стор.56

  • 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.[3]:стор.57

Полюси та поляри

[ред. | ред. код]

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 x:y:z:

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:

  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:

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.[3]:стор.57-60

Приклади кривих 3-го порядку

[ред. | ред. код]

Нижче наведено низку прикладів кривих 3-го порядку та їх рівняння

Кубічні криві в площині трикутника

[ред. | ред. код]

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 X* точки , яка не лежить на стороні ABC. Точка X* 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 X*.
В трилінійних координатах: якщо то

Кубика Нойберга

[ред. | ред. код]
Кубика Нойберга трикутника ABC

Рівняння в трилінійних координатах:

Рівняння в барицентричних координатах:

Кубика Нойберга (названа на честь Джозефа Жана Батіста Нойберга[en])  — це геометричне місце точок точок (ГМТ) таких, що ізогонально спряжені до них точки X* знаходяться на прямій , де є точкою нескінченності Ейлера (X(30) в Енциклопедії центрів трикутника).
Крім того, ця кубика є ГМТ точок , таких, що трикутник XAXBXC є перспективним до ABC (тобто прямі AXA, BXB, CXC перетинаються в одній точці), де точки XA , XB, XC 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 ABC (вершини ортотрикутника), вершини шести рівносторонніх трикутників, побудованих на сторонах ABC та інші центри трикутника.

Графіки і властивості кубик Нойберга див. Кубику K001 Берхарда Гіберта в площині трикутника [Архівовано 9 квітня 2017 у Wayback Machine.].

Кубика Томсона

[ред. | ред. код]
Приклад кубики Томсона (чорна крива). Точка знаходиться на кубиці, таким чином, ізогонально спряжена до неї точка лежить на прямій .

Рівняння в трилінійних координатах:

Рівняння в барицентричних координатах:

Кубика Томсона — це ГМТ точок для яких ізогонально спряжена точка X* знаходиться на прямій , де є центроїдом трикутника ABC.

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 ABC, 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 [Архівовано 24 липня 2012 у Wayback Machine.].

Кубика Дарбу

[ред. | ред. код]
Кубика Дарбу трикутника ABC: Геометричне місце точок X таких, що якщо D, E, F є підставами перпендикулярів, проведених з X на сторони BC, CA, AB, то прямі AD, BE, CF перетинаються в одній точці.

Рівняння в трилінійних координатах:

Рівняння в барицентричних координатах:

Кубика Дарбу — це ГМТ точок , для кожної з яких ізогонально спряжена точка X* лежить на прямій , де  — Точка Лоншама[en].
Також кубика Дарбу є ГМТ точок для кожної з яких її подерний трикутник відносно трикутника ABC 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 [Архівовано 24 липня 2012 у Wayback Machine.].

Кубика Наполеона — Феєрбаха

[ред. | ред. код]

Рівняння в трилінійних координатах:

Рівняння в барицентричних координатах:

Кубика Наполеона — Феєрбаха — це ГМТ точок X, для кожної з яких ізогонально спряжена точка X* 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 ABC, інші центри трикутника.

Графіки і властивості див. Кубику K005 в площині трикутника [Архівовано 15 квітня 2016 у Wayback Machine.].

Кубика Лукаса

[ред. | ред. код]
Кубика Лукаса трикутника ABC: геометричне місце точок X, для кожної з яких її чевіанний трикутник є подерним трикутником деякої точки X', що лежить на кубиці Дарбу.

Рівняння в трилінійних координатах:

Рівняння в барицентричних координатах:

Кубика Лукаса — це ГМТ точок X, для кожної з яких її чевіанний трикутник є подерним трикутником деякої точки X', 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 [Архівовано 18 січня 2017 у Wayback Machine.].

Див. також

[ред. | ред. код]

Примітки

[ред. | ред. код]

Література

[ред. | ред. код]
  • Harold Hilton (1920). Plane Algebraic Curves. Oxford. с. 201.
  • Савелов А.А. Плоские кривые. Систематика, свойства, применение. (Справочное руководство). — москва : государственое издательство физико- математической литератури, 1960.

Посилання

[ред. | ред. код]
  • Weisstein, Eric W. Cubic Curve(англ.) на сайті Wolfram MathWorld.
  • Bix, Robert (1998), Conics and Cubics: A Concrete Introduction to Algebraic Curves, New York: Springer, ISBN 0-387-98401-1.
  • Cerin, Zvonko (1998), Locus properties of the Neuberg cubic, Journal of Geometry, 63 (1–2): 39—56, doi:10.1007/BF01221237.
  • Cerin, Zvonko (1999), On the cubic of Napoleon, Journal of Geometry, 66 (1–2): 55—71, doi:10.1007/BF01225672.
  • Cundy, H. M. & Parry, Cyril F. (1995), Some cubic curves associated with a triangle, Journal of Geometry, 53 (1–2): 41—66, doi:10.1007/BF01224039.
  • Cundy, H. M. & Parry, Cyril F. (1999), Geometrical properties of some Euler and circular cubics (part 1), Journal of Geometry, 66 (1–2): 72—103, doi:10.1007/BF01225673.
  • Cundy, H. M. & Parry, Cyril F. (2000), Geometrical properties of some Euler and circular cubics (part 2), Journal of Geometry, 68 (1–2): 58—75, doi:10.1007/BF01221061.
  • Ehrmann, Jean-Pierre & Gibert, Bernard (2001), A Morley configuration, Forum Geometricorum, 1: 51—58.
  • Ehrmann, Jean-Pierre & Gibert, Bernard (2001), The Simson cubic, Forum Geometricorum, 1: 107—114.
  • Gibert, Bernard (2003), Orthocorrespondence and orthopivotal cubics, Forum Geometricorum, 3: 1—27.
  • Kimberling, Clark (1998), Triangle Centers and Central Triangles, Congressus Numerantium, 129: 1—295. See Chapter 8 for cubics.
  • Kimberling, Clark (2001), Cubics associated with triangles of equal areas, Forum Geometricorum, 1: 161—171.
  • Lang, Fred (2002), Geometry and group structures of some cubics, Forum Geometricorum, 2: 135—146.
  • Pinkernell, Guido M. (1996), Cubic curves in the triangle plane, Journal of Geometry, 55 (1–2): 142—161, doi:10.1007/BF01223040.
  • Salmon, George (1879), Higher Plane Curves (вид. 3rd), New York: Chelea