циклоида
В геометрии циклоида кривая — это , очерченная точкой окружности , катящейся по прямой без скольжения. Циклоида — это особая форма трохоиды и пример рулетки , кривой, образованной кривой, катящейся по другой кривой.
Циклоида с вершинами , направленными вверх, представляет собой кривую наискорейшего спуска в условиях равномерной силы тяжести ( кривая брахистохроны ). Это также форма кривой, для которой период объекта простого гармонического движения (повторяющегося перекатывания вверх и вниз) по кривой не зависит от начального положения объекта ( кривая таутохрона ). В физике, когда покоящаяся заряженная частица находится в однородном электрическом и магнитном поле, перпендикулярном друг другу, траектория частицы образует циклоиду.
История
[ редактировать ]Именно в левой пробке «Пекода», когда вокруг меня усердно кружился мыльный камень, я впервые косвенно поразился тому замечательному факту, что в геометрии все тела, скользящие по циклоиде, мой мыльный камень, например, будет спускаться с любой момент точно в одно и то же время.
«Моби Дик» , Герман Мелвилл , 1851 г.
Циклоиду называли «Еленой геометров», поскольку, как и Елена Троянская , она вызывала частые ссоры среди математиков 17-го века, в то время как Сара Харт считает, что она названа так «потому что свойства этой кривой настолько прекрасны». [1] [2]
Историки математики предложили несколько кандидатов на роль первооткрывателя циклоиды. Историк-математик Пол Таннери предположил, что такая простая кривая, должно быть, была известна древним , ссылаясь на аналогичную работу Карпа Антиохийского, описанную Ямвлихом . [3] Английский математик Джон Уоллис в 1679 году приписал это открытие Николаю Кузанскому . [4] но последующие исследования показывают, что либо Уоллис ошибался, либо доказательства, которые он использовал, теперь утеряны. [5] Имя Галилео Галилея было выдвинуто в конце XIX века. [6] и по крайней мере один автор сообщает, что заслуга принадлежит Марину Мерсенну . [7] Начиная с творчества Морица Кантора [8] и Зигмунд Гюнтер , [9] ученые теперь отдают приоритет французскому математику Шарлю де Бовелю [10] [11] [12] на основе его описания циклоиды в его «Введении в геометрию» , опубликованном в 1503 году. [13] В этой работе Бовель ошибочно принимает арку, очерченную катящимся колесом, за часть большего круга с радиусом на 120% больше, чем у меньшего колеса. [5]
Галилей ввел термин циклоида и был первым, кто серьезно изучил кривую. [5] По словам его ученицы Евангелисты Торричелли , [14] в 1599 году Галилей предпринял попытку квадратуры циклоиды (определение площади под циклоидой) с помощью необычного эмпирического подхода, который включал в себя отслеживание образующей окружности и полученной циклоиды на листовом металле, вырезание их и взвешивание. Он обнаружил, что соотношение составляет примерно 3:1, что является истинным значением, но он ошибочно пришел к выводу, что соотношение представляет собой иррациональную дробь, что сделало бы квадратуру невозможной. [7] Примерно в 1628 году Жиль Персон де Роберваль, вероятно, узнал о квадратурной задаче от отца Марина Мерсенна и выполнил квадратуру в 1634 году, используя теорему Кавальери . [5] Однако эта работа не была опубликована до 1693 года (в его «Трактате о неделимых» ). [15]
Построение касательной циклоиды датируется августом 1638 года, когда Мерсенн получил уникальные методы от Роберваля, Пьера де Ферма и Рене Декарта . Мерсенн передал эти результаты Галилею, который передал их своим ученикам Торричелли и Вивиани, которые смогли построить квадратуру. Этот и другие результаты были опубликованы Торричелли в 1644 г. [14] это также первая печатная работа по циклоиде. Это привело к тому, что Роберваль обвинил Торричелли в плагиате, но спор был прерван ранней смертью Торричелли в 1647 году. [15]
В 1658 году Блез Паскаль отказался от математики в пользу богословия, но, страдая от зубной боли, начал рассматривать несколько задач, касающихся циклоиды. Его зубная боль исчезла, и он воспринял это как небесный знак, чтобы продолжить свои исследования. Восемь дней спустя он закончил свое эссе и, чтобы опубликовать результаты, предложил конкурс. Паскаль предложил три вопроса, касающихся центра тяжести , площади и объема циклоиды, победитель или победители получили призы в размере 20 и 40 испанских дублонов . Судьями были Паскаль, Роберваль и сенатор Каркави, и ни одно из двух представлений ( Джона Уоллиса и Антуана де Лалувера ) не было признано адекватным. [16] : 198 Пока соревнование продолжалось, Кристофер Рен отправил Паскалю предложение доказать выпрямление циклоиды ; Роберваль тут же заявил, что знал об этом доказательстве уже много лет. Уоллис опубликовал доказательство Рена (с указанием Рена) в «Трактате Дуэта» Уоллиса , отдав Рену приоритет для первого опубликованного доказательства. [15]
Пятнадцать лет спустя Христиан Гюйгенс применил циклоидальный маятник для улучшения хронометров и обнаружил, что частица может пройти сегмент перевернутой циклоидальной арки за то же время, независимо от ее начальной точки. В 1686 году Готфрид Вильгельм Лейбниц использовал аналитическую геометрию, чтобы описать кривую одним уравнением. В 1696 году Иоганн Бернулли поставил задачу о брахистохроне , решением которой является циклоида. [15]
Уравнения
[ редактировать ]Циклоида, проходящая через начало координат, образованная кругом радиуса r, катящимся по x оси с положительной стороны ( y ≥ 0 ), состоит из точек ( x , y ) с где t — действительный параметр, соответствующий углу, на который повернулась катящаяся окружность. Для данного t центр круга лежит в ( x , y ) = ( rt , r ) .
Декартово уравнение получается путем решения y -уравнения для t и подстановки в x - уравнение: или, исключив многозначный обратный косинус:
Когда y рассматривается как функция от x , циклоида дифференцируема везде, кроме точек возврата на оси x , при этом производная стремится к или возле острия. Отображение t в ( x , y ) дифференцируемо, фактически класса C ∞ , с производной 0 в точках возврата.
Наклон касательной к циклоиде в точке дается .
Отрезок циклоиды от одного возврата к другому называется дугой циклоиды, например точки с и .
Рассматривая циклоиду как график функции , он удовлетворяет дифференциальному уравнению : [17]
Эвольвента
[ редактировать ]Эвольвента как циклоиды имеет точно такую же форму, и циклоида, из которой она возникла. Это можно представить как путь, прослеживаемый кончиком проволоки, первоначально лежащей на половине дуги циклоиды: по мере того, как она разворачивается, оставаясь касательной к исходной циклоиде, она описывает новую циклоиду (см. также циклоидальный маятник и длину дуги ).
Демонстрация
[ редактировать ]В этой демонстрации используется определение циклоиды в виде катящегося колеса, а также вектор мгновенной скорости движущейся точки, касательный к ее траектории. На соседней картинке и Это две точки, принадлежащие двум катящимся кругам, причем основание первой находится чуть выше вершины второй. Изначально, и совпадают в точке пересечения двух окружностей. Если круги катятся горизонтально с одинаковой скоростью, и пересечь две циклоиды. Учитывая красную линию, соединяющую и в данный момент можно доказать, что линия всегда касается нижней дуги в точке и ортогонально верхней дуге в точке . Позволять быть точкой соприкосновения между верхним и нижним кругами в данный момент времени. Затем:
- коллинеарны: действительно, равная скорость качения дает равные углы. , и таким образом . Суть лежит на линии поэтому и аналогично . Из равенства и у одного это тоже есть . Отсюда следует .
- Если является точкой встречи перпендикуляра из к отрезку прямой и касательная к окружности в точке , то треугольник является равнобедренным, как легко видеть из построения: и . Для предыдущего отмеченного равенства между и затем и является равнобедренным.
- Рисунок из ортогональный отрезок , от прямая, касательная к верхнему кругу, и вызывающая место встречи, это видно является ромбом по теоремам об углах между параллельными прямыми
- Теперь рассмотрим скорость из . Ее можно рассматривать как сумму двух компонентов: скорости качения. и скорость дрейфа , которые равны по модулю, поскольку круги катятся без заноса. параллельно , пока касается нижней окружности в точке и, следовательно, параллелен . Ромб составлен из составляющих и поэтому подобен (те же углы) ромбу потому что у них параллельные стороны. Затем , полная скорость , параллельно потому что обе являются диагоналями двух ромбов с параллельными сторонами и имеют общее с контактная точка . Таким образом, вектор скорости заключается в продлении . Потому что касается циклоиды в точке , отсюда следует, что также совпадает с касательной к нижней циклоиде в точке .
- Аналогично можно легко продемонстрировать, что ортогонален (другая диагональ ромба).
- Это доказывает, что кончик проволоки первоначально был натянут на полудугу нижней циклоиды и прикреплен к верхнему кругу на уровне будет следовать за точкой вдоль ее пути, не меняя ее длины , поскольку скорость наконечника в каждый момент ортогональна проволоке (без растяжения или сжатия). В то же время провод будет касаться точки к нижней дуге из-за напряжения и фактов, продемонстрированных выше. (Если бы она не была касательной, то в точке был бы разрыв. и, следовательно, несбалансированные силы напряжения.)
Область
[ редактировать ]Используя приведенную выше параметризацию , площадь под одной аркой, дается:
Это в три раза больше площади катящегося круга.
Длина дуги
[ редактировать ]Длина дуги S одной арки определяется выражением
Другой геометрический способ расчета длины циклоиды состоит в том, чтобы заметить, что когда проволока, описывающая эвольвенту, полностью развернута из половины арки, она вытягивается вдоль двух диаметров, на длину 4 р . Таким образом, это равно половине длины арки, а длина полной арки — 8 р .
Циклоидальный маятник
[ редактировать ]Если простой маятник подвешен к вершине перевернутой циклоиды так, что струна касается одной из ее дуг, а длина маятника L равна половине длины дуги циклоиды (т. е. в два раза диаметр образующей окружности L = 4r ), качание маятника также движется по циклоиде. Такой маятник является изохронным , с равновременными колебаниями независимо от амплитуды. Если ввести систему координат с центром в положении точки возврата, уравнение движения будет иметь вид: где - это угол, который прямая часть струны образует с вертикальной осью, и определяется выражением где А < 1 — «амплитуда», — радианная частота маятника, а g — ускорение свободного падения.
Голландский математик 17-го века Христиан Гюйгенс открыл и доказал эти свойства циклоиды, когда искал более точные конструкции маятниковых часов для использования в навигации . [18]
Связанные кривые
[ редактировать ]Несколько кривых связаны с циклоидой.
- Трохоида : обобщение циклоиды, в которой точка, описывающая кривую, может находиться внутри катящегося круга (курчатая) или снаружи (вытянутая).
- Гипоциклоида : вариант циклоиды, в которой круг катится внутри другого круга, а не по прямой.
- Эпициклоида : вариант циклоиды, в которой круг катится по внешней стороне другого круга, а не по прямой.
- Гипотрохоида : обобщение гипоциклоиды, при котором образующая точка может не находиться на краю катящегося круга.
- Эпитрохоида : обобщение эпициклоиды, при котором образующая точка может не находиться на краю катящегося круга.
Все эти кривые представляют собой рулетку с кругом, прокатанным по другой кривой равномерной кривизны . Циклоида, эпициклоида и гипоциклоида обладают тем свойством, что каждая из них подобна своей эволюте . Если q является произведением этой кривизны на радиус круга, со знаком положительным для эпи- и отрицательным для гипо-, то коэффициент подобия кривой для эволюции равен 1 + 2 q .
Классическая игрушка Спирограф отслеживает кривые гипотрохоиды и эпитрохоиды .
Другое использование
[ редактировать ]Циклоидальная арка была использована архитектором Луи Каном в его проекте Художественного музея Кимбелла в Форт-Уэрте, штат Техас . Его также использовал Уоллес К. Харрисон при проектировании Центра Хопкинса в Дартмутском колледже в Ганновере, Нью-Гэмпшир . [19]
Ранние исследования показали, что некоторые поперечные дугообразные кривые пластинок скрипок золотого века близко моделируются курчатыми циклоидными кривыми. [20] Более поздние работы показывают, что курчатые циклоиды не служат общей моделью для этих кривых. [21] которые существенно различаются.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Каджори, Флориан (1999). История математики . Нью-Йорк: Челси. п. 177. ИСБН 978-0-8218-2102-2 .
- ^ Харт, Сара (7 апреля 2023 г.). «Удивительные связи между математикой и литературой» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 7 апреля 2023 г.
- ^ Таннери, Пол (1883), «К истории изогнутых линий и поверхностей в древности» , Смеси, Бюллетень математических и астрономических наук , сер. 2, 7 : 278–291, с. 284:
Прежде чем оставить цитату из Ямвлиха, добавлю, что в двойной кривой движения Карпоса трудно не узнать циклоиду, простое зарождение которой не должно было ускользнуть от древних.
[Прежде чем оставить цитату Ямвлиха, добавлю, что в кривой двойного движения Карпа ) . трудно не узнать циклоиду, столь простое зарождение которой не могло ускользнуть от древних.] (цитата по Whitman 1943 ); - ^ Уоллис, Д. (1695). «Отрывок из письма доктора Уоллиса от 4 мая 1697 года о циклоиде, известной кардиналу Кузанскому около 1450 года; и Каролу Бовиллусу около 1500 года» . Философские труды Лондонского королевского общества . 19 (215–235): 561–566. дои : 10.1098/rstl.1695.0098 . (Цитируется по Гюнтеру, стр. 5)
- ^ Перейти обратно: а б с д Уитмен, Э.А. (май 1943 г.), «Некоторые исторические заметки о циклоиде», The American Mathematical Monthly , 50 (5): 309–315, doi : 10.2307/2302830 , JSTOR 2302830 (требуется подписка)
- ^ Каджори, Флориан (1999), История математики (5-е изд.), Стр. 162, ИСБН 0-8218-2102-4 (Примечание: в первом (1893 г.) издании и его переизданиях утверждается, что Галилей изобрел циклоиду. По словам Филлипса, это было исправлено во втором (1919 г.) издании и сохранилось до самого последнего (пятого) издания.)
- ^ Перейти обратно: а б Ройдт, Том (2011). Циклоиды и пути (PDF) (MS). Портлендский государственный университет. п. 4. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
- ^ Кантор, Мориц (1892), Лекции по истории математики, Том 2 , Лейпциг: Б. Г. Тойбнер, OCLC 25376971.
- ^ Гюнтер, Зигмунд (1876), Разные исследования по истории математических наук , Лейпциг: печать и публикация Б. Г. Тойбнера, стр. 352, OCLC 2060559
- ^ Филлипс, JP (май 1967 г.), «Брахистохрона, Таутохрона, Циклоида — яблоко раздора», Учитель математики , 60 (5): 506–508, doi : 10.5951/MT.60.5.0506 , JSTOR 27957609 (требуется подписка)
- ^ Виктор, Джозеф М. (1978), Шарль де Бовель, 1479–1553: интеллектуальная биография , с. 42, ISBN 978-2-600-03073-1
- ^ Мартин, Дж. (2010). «Елена геометрии». Математический журнал колледжа . 41 : 17–28. дои : 10.4169/074683410X475083 . S2CID 55099463 .
- ^ де Буэль, Шарль (1503), Введение в геометрию ... Книга о квадратуре круга. Книга о комнате сферы. Перспективное знакомство. , OCLC 660960655
- ^ Перейти обратно: а б Торричелли, Евангелиста (1644 г.), Геометрическая работа , OCLC 55541940
- ^ Перейти обратно: а б с д Уокер, Эвелин (1932), Исследование «Трактата о неделимых» Роберваля , Колумбийский университет (цитируется по Whitman, 1943);
- ^ Коннер, Джеймс А. (2006), Ставка Паскаля: человек, который играл в кости с Богом (1-е изд.), HarperCollins, стр. 224 , ISBN 9780060766917
- ^ Робертс, Чарльз (2018). Элементарные дифференциальные уравнения: приложения, модели и вычисления (2-е иллюстрированное изд.). ЦРК Пресс. п. 141. ИСБН 978-1-4987-7609-7 . Выдержка со страницы 141, уравнение (f) с K =2 r
- ^ К. Гюйгенс, «Маятниковые часы или геометрические демонстрации движения маятника (так в оригинале) применительно к часам», Перевод Р. Дж. Блэквелла, издательство Университета штата Айова (Эймс, Айова, США, 1986).
- ^ 101 причина полюбить Дартмут , журнал выпускников Дартмута, 2016 г.
- ^ Плейфэр, К. «Курчатая циклоидная дуга в инструментах семейства кремонских скрипок Золотого века». Журнал Акустического общества Кетгута . II. 4 (7): 48–58.
- ^ Моттола, РМ (2011). «Сравнение изогнутых профилей кремонских скрипок Золотого века и некоторых математически построенных кривых» . Журнал Савар . 1 (1). Архивировано из оригинала 11 декабря 2017 г. Проверено 13 августа 2012 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Приложение из физики : Гатак А. и Махадеван Л. Крэк-стрит: циклоидальный след цилиндра, разрывающего лист. Письма о физическом обзоре, 91 (2003). link.aps.org
- Эдвард Каснер и Джеймс Ньюман (1940) Математика и воображение , стр. 196–200, Саймон и Шустер .
- Уэллс Д. (1991). Словарь любопытной и интересной геометрии Penguin . Нью-Йорк: Книги Пингвина. стр. 445–47. ISBN 0-14-011813-6 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф. , «Циклоида» , Архив истории математики MacTutor , Университет Сент-Эндрюс
- Вайсштейн, Эрик В. «Циклоида» . Математический мир . Проверено 27 апреля 2007 г.
- Циклоиды на развязке
- Трактат о циклоиде и всех формах циклоидальных кривых , монография Ричарда А. Проктора, бакалавра наук, опубликованная библиотекой Корнелльского университета .
- Циклоидные кривые Шона Мэдсена при участии Дэвида фон Зеггерна, Демонстрационный проект Wolfram .
- Циклоида на PlanetPTC (Mathcad)
- ВИЗУАЛЬНЫЙ подход к задачам ИСЧИСЛЕНИЯ Тома Апостола