Кривая Вивианиса - Википедия - Vivianis curve

Кривая Вивиани: пересечение сферы с касательным цилиндром
Голубую часть полусферы можно возвести в квадрат.

В математика, Кривая Вивиани, также известный как Окно Вивиани, это восьмерка в форме Космос изгиб назван в честь итальянского математика Винченцо Вивиани. Это пересечение сфера с цилиндр то есть касательная к сфере и проходит через центр сферы (см. диаграмму). До Вивиани эту кривую изучал Симон де ла Лубер и Жиль де Роберваль.[1][2]

Проекция кривой Вивиани на плоскость, перпендикулярную линии, проходящей через точку пересечения, и центр сферы - это лемниската Героно.[3]

В 1692 году Вивиани взялась за задание: вырезать из полусферы (радиус ) два окна, так что оставшаяся поверхность (полусферы) может быть в квадрате, т.е. квадрат с той же площадью можно построить, используя только циркуль и линейку. Его решение имеет площадь (Смотри ниже).

Уравнения

цилиндр в вертикальном положении.

Чтобы не усложнять доказательство возведения в квадрат,

то сфера имеет уравнение

и

то цилиндр в вертикальном положении с уравнением .

Цилиндр имеет радиус и касается сферы в точке

Свойства кривой

План этажа, фасад и боковой план

План этажа, фасад и боковой план

Устранение , , соответственно дает:

В ортогональная проекция кривой пересечения на

--самолет круг с уравнением
--самолет парабола с уравнением
--самолет алгебраическая кривая с уравнением

Параметрическое представление

Для параметрического представления и определения площади

Представляя сферу

и установка дает кривую

Несложно проверить, что сферическая кривая удовлетворяет уравнению цилиндра. Но границы допускают только красную часть (см. Диаграмму) кривой Вивиани. Недостающая вторая половина (зеленая) имеет свойство

С помощью этого параметрического представления легко доказать утверждение: площадь полусферы (содержащей кривую Вивиани) минус площадь двух окон равна :

Рациональное представление Безье

Четверть кривой Вивиани, лежащая в положительном квадранте трехмерного пространства, не может быть точно представлена ​​регулярной кривой Безье любой степени.

Однако он может быть представлен точно трехмерным рациональным сегментом Безье степени 4, и существует бесконечное семейство рациональных контрольных точек Безье, порождающих этот сегмент.

Одно из возможных решений дают следующие пять контрольных точек:

Соответствующая рациональная параметризация:

Квадрат

Площадь правой верхней части окна Viviani (см. Диаграмму) можно вычислить с помощью интеграция:

Следовательно, общая площадь сферической поверхности, включенная в кривую Вивиани, равна и

  • площадь полусферы () минус площадь окна Вивиани составляет , площадь квадрата с диаметром сферы, равной длине ребра.

Отношение к другим кривым

  • 8-образное возвышение (см. Выше) представляет собой Лемниската Джероно.
  • Кривая Вивиани - особая Кривая Клелии. Для кривой Клелии соотношение между углами равно
Кривая Вивиани (красная) как пересечение сферы и конуса (розовая)

Вычитая 2 × уравнение цилиндра из уравнения сферы и применяя завершение квадрата приводит к уравнению

который описывает правый круговой конус с его вершиной в, двойная точка кривой Вивиани. Следовательно

  • Кривую Вивиани можно рассматривать не только как кривую пересечения сферы и цилиндра, но и как
а) пересечение сферы и конуса и при
б) пересечение цилиндра и конуса.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Куно Фладт: Analytische Geometrie spezieller Flächen und Raumkurven. Springer-Verlag, 2013 г., ISBN  3322853659, 9783322853653, стр. 97.
  2. ^ К. Штрубекер: Vorlesungen der Darstellenden Geometrie. Vandenhoeck & Ruprecht, Геттинген, 1967, стр. 250.
  3. ^ Коста, Луиза Росси; Маркетти, Елена (2005), «Математические и исторические исследования куполов и сводов», Вебер, Ральф; Аманн, Маттиас Альбрехт (ред.), Эстетика и архитектурная композиция: материалы Дрезденского международного симпозиума архитектуры 2004 г., Маммендорф: Pro Literatur, стр. 73–80..

внешняя ссылка