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 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].
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.
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.
І.Ньютон , застосовуючи елементарні перетворення, зводить загальне рівняння 3-го степеня (див. попередній розділ) до однієї з чотирьох канонічних форм:[1]
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.
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]
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.
- 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] [2]
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.
- 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]
- 2 Якщо пряма проходить через дві точки перегину кривої 3-го порядку, то вона обов'язково пройде і через третю точку перегину.[3]
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.[3]
Відомо, що точки перегину алгебричної кривої збігаються з точками перетину цієї кривої та її гесіани.[3]
|
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] 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]
- 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]
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:
- 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.[3]
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)
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
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.].
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.].
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.].
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.].
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.].
- ↑ а б в Смогоржевский А.С., Столова Е.С., 1961.
- ↑ Harold Hilton, 1902.
- ↑ а б в г д е ж Савелов А.А., 1961.
- ↑ F. Klein. Vorlesungen über die Entwicklung der Mathematik im 19 Jahrhundert. Ч.1 (переклад з нім.). — Berlin : Verlsg von Julius Springer, 1926.
- Смогоржевский А.С., Столова Е.С. Справочник по теории плоских кривых третьего порядка. — москва : государственое издательство физико- математической литератури, 1961.
- 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.
- 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