Задача

4.6 Задача

Дана улитка Паскаля с полюсом в точке O. Написать уравнения в прямоугольной и полярной системах координат.

Решение:

Пусть начало координат – в полюсе O, ось OX направлена по лучу OB. Тогда уравнение в прямоугольной системе координат будет иметь вид:

. (1)

Строго говоря, это уравнение представляет фигуру, состоящую из улитки Паскаля и полюса O, который может и не принадлежать определенному выше геометрическому месту (такой случай имеет место для линий 3 и 4 на рис.6).

Уравнение в полярной системе (O – полюс, OX – полярная ось):

, (2)

где  меняется от какого-либо значения  до .

 

5. Лемниската Бернулли

 

5.1 Определение

Лемниската есть геометрическое место точке, для которых произведение расстояний от них до концов данно отрещка  равно . Точки F₁, F₂ называются фокусами лемнискаты; прямая F₁F₂ – ее осью.

 

5.2 Исторические сведения

В 1694 г. Якоб Бернули в работе, посвященной теории приливов и отливов, использовал в качестве вспомогательного средства линию, которую он задает уравнением . Он отмечает сходство этой линии (рис.8) с цифрой 8 и узлообразной повязкой, которую он именует «лемниском». Отсюда называние лемниската. Лемниската получила широкую ивестность в 1718 г., когда итальянский математик Джулио Карло Фаньяно (1682 – 1766) установил, что интеграл, представляющий длину дуги лемнискаты, не выражается через элементарные функции, и тем не менее лемнискату можно разделить (с помощью линейки и циркуля) на n равных дуг при условии, что  или  или , где m – любое целое положительное число.

Лемниската есть частный вид линии Кассини. Однако, хотя линии Кассини получили всеобщую известность с 1749 г., тождественность «восьмерки Кассини» с лемнискатой Бернули была уставновлена лишь в 1806 г. (итальянским математиком Саладини).

5.3 Построение

Можно применять общий способ построя линия Кассини, но нижеизложенный способ (К. Маклорена) и проще и лучше. Строим (см. рис.) окружность радиуса  с центром в точке F₁ (или F₂). Проводим произвольную секущую OPQ и откладываем на этой прямой в обе стороны от точки O отрезки OM и OM₁, равные хорде PQ. Точка M опишет одну из петель лемнискаты, точка M₁ – другую.

5.4 Особенности формы

Лемниската имеет две оси симметрии: прямую F₁F₂ (OX) и прямую OYOX. Точка O – узловая; обе ветви имеют здесь перегиб. Касательные в этой точке составляют с осью OX углы . Точки A₁,A₂ лемнискаты, наиболее удаленные от узла O (вершины лемнискаты), лежат на оси F₁F₂ на расстоянии  от узла.

5.5 Свойства нормали.

Подяоный радиус OM лемнискаты образует с нормалью MN угол , вдвое больше полярного угла :

.

Другими словами: угол  между осью OX и вектором NN^' внешней нормали лемнискаты в точке M равен утроенному полярному углу точки M:

.

5.6 Построение касательной

Чтобы построить касательную к лемнискате в ее точке M, проводим полярный радиус OM и строим . Перпендикуляр MT к прямой MN есть искомая касательная.

5.7 Задача

Написать уравнение лемнискаты Бернулли в прямоугольной системе координат (O – серидина отрезка F₁F₂) и в полярной системе координат (O – полюс).

Решение:

Пусть точка O – начало координат ; ось OX направлена по F₁F₂. Тогда Уравнение в прямоугольной системе координат:

.

Если O – полюс, OX – полярная ось, то уравнение в полярной системе:

.

Угол  изменяется в промежутках  и .

 

Заключение

 

В данной работе мы рассмотрели некоторые замечательные кривые, изучили их способы построения, особенности формы и задачи, связанные с этими кривыми.

В параграфе 1 была рассмотрена строфоида, особенности её формы, стереометрическое образование и исторические сведения.

Во 2-м параграфе мы изучили циссоиду Диокла и некоторые формулы, связанные с ней.

В параграфе 3 узнали метод построения, особенности формы и исторические сведения о кривой, называемой «Декартов лист».

В 4-м параграфе рассмотрели улитку Паскаля. Её определение, построение, особенности формы, свойства нормали и построение касательной.

В параграфе 5 была изучена лемниската Бернулли: определение, построение, исторические сведения, особенности формы, свойства нормали и построение касательной.

А также при помощи задач узнали формулы кривых в прямоугольной декартовой и полярной системах координат.

Используемая литература:

 

1. Маркушевич А.И., Замечательные кривые, М., 1978 г., 48 стр. с ил.

2. Выгодский М.Я., Справочник по высшей математике, М.: АСТ: Астрель, 2008, 991 стр. с ил.

3. Атанасян Л.С. и Атанасян В.А., Сборник задач по геометрии. Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов. Ч. I, М., "Просвещение", 1973, 256 с.

4. Гурова А.Э. Замечательные кривые вокруг нас. М, 1989

5. Маркушевич А.И. Замечательные кривые. - М, 1978

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Строфоида

7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Лемниската_Бернулли

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Улитка_Паскаля