Кривые третьего и четвертого порядка

| Категория реферата: Рефераты по математике
| Теги реферата: казахстан реферат, сочинение
| Добавил(а) на сайт: Бойдало.

Рис. 10 где t, как и ранее, угол поворота производящего круга (рис. 10)
Исключая из уравнений (1) параметр t, получим:

[pic] (2)
Из уравнения (2) следует, что астроида является алгебраической кривой 6-го порядка.
Параметрические уравнения (1) астроиды можно привести к виду

[pic] (3)
Исключая из этих уравнений параметр t, получим часто употребляемый вид уравнения астроиды

[pic] (4)
Полагая в ранее выведенных общих соотношениях для циклоидальных кривых модуль m = -1/4, получим соответствующие соотношения для астроиды:
1) радиус кривизны в произвольной точке астроиды определяется по формуле

[pic] (5)
2) длина дуги астроиды от точки А до произвольной точки M(t) определится по формуле

[pic] (6) длина одной ветви равна [pic] а длина всей кривой 6R;
3) для получения натурального уравнения астроиды заметим предварительно, что если началом отсчета длины дуги полагать не точку А, для которой t = 0, а точку, для которой t = (, то длина дуги определится формулой

[pic] (6) исключая параметр t из уравнений (5) и (6), получим натуральное уравнение астроиды

[pic]
4) эволюта астроиды есть также астроида, подобная данной, с коэффициентом подобия, равным 2, повернутая относительно данной на угол (/4 (рис.11)
5) площадь, ограниченная всей астроидой, равна [pic] объем тела, полученного от вращения астроиды, равняется 32/105( R3 поверхность тела, образованного вращением астроиды, равна [pic]
Обратимся теперь к рассмотрению некоторых частных свойств астроиды.
Астроида является огибающей отрезка постоянной длины, концы. которого скользят по двум взаимно перпендикулярным прямым.
Принимаем эти прямые за оси координат и, обозначая угол наклона скользящего отрезка ND=R через ( (рис.12), будем иметь уравнение прямой ND в виде

[pic] (7)
Дифференцируя это уравнение по параметру (, получим:

[pic]
Исключая из последнего уравнения и уравнения (7) параметр (, будем иметь уравнение огибающей в виде [pic] т. е. астроиду.
Практически перемещение отрезка ND можно осуществить с помощью так называемых кардановых кругов. Один из этих кругов с радиусом R неподвижен, а другой, с радиусом r, в два раза меньшим, катится по внутренней стороне неподвижного круга. Любые две диаметрально противоположные точки N и D катящегося круга будут перемещаться по двум взаимно перпендикулярным диаметрам Ох и Оу неподвижного круга. Ясно, что огибающей диаметра катящегося круга и будет астроида.

|[pic] |[pic] |
| |Рис. 12 |
|Рис. 11 | |

Рассмотренный способ образования астроиды можно истолковать также следующим образом. Прямоугольник ODCN, две стороны которого лежат на двух взаимно перпендикулярных прямых, деформируется так, что диагональ его сохраняет длину, равную R, огибающая диагонали и будет астроидой. Так как при этом перпендикуляр, опущенный из вершины С на диагональ DN, служит нормалью к огибающей, то астроида представляет собой геометрическое место оснований перпендикуляров, опущенных из вершины С прямоугольника на его диагональ.
2. Свойства касательных к астроиде. Уравнение (7) выражает прямую ND, т. е. касательную к астроиде в некоторой точке М, причем параметр ( представляет собой угол, составляемый этой касательной с осью абсцисс. Уравнение другой касательной, перпендикулярной к первой, будет иметь вид

[pic] (8)
Исключая из уравнений (7) и (8) параметр а, получим уравнение [pic] или, в полярной системе, [pic] которое выражает четырехлепестковую розу. Итак, геометрическое место вершин прямого угла, стороны которого касаются астроиды, есть четырех лепестковая роза.
Другое свойство касательных к астроиде таково: каждая касательная пересекает астроиду в двух точках, касательные в которых пересекаются в точке, лежащей на окружности описанного около астроиды круга.
Определим подэру астроиды относительно точки Р, лежащей на биссектрисе 1-го координатного угла на расстоянии ОР=с от начала координат. Выше было показано, что астроиду можно рассматривать как огибающую отрезка ND = R, скользящего своими концами по координатным осям. Отсюда

[pic]

Рис. 13 следует, что искомую подэру можно определить как геометрическое место оснований перпендикуляров, опущенных из точки Р на прямую ND (рис. 13).
Проведем ОЕ _|_ ND, и OQ, где Q — середина отрезка ND. Точку Р посчитаем полюсом, а прямую РК полярной осью. Полярный угол КРМ точки М подэры обозначим через (, а радиус-вектор РМ — через (. Тогда, как легко видеть, угол [pic]
Так как [pic]
Но, с другой стороны, [pic] На основании последних двух равенств, полярное уравнение подэры запишется в виде [pic] а в прямоугольной системе с началом в точке Р в виде

[pic]
Полученная таким образом кривая 6-го порядка имеет в начале координат четырехкратную точку и называется «жуком». В частном случае, пои с=0, жук становится розой,
3. Косая астроида. Обобщением рассмотренной астроиды является так называемая косая астроида, которая представляет собой огибающую отрезка ND постоянной длины R, скользящего своими концами по двум прямым, пересекающимся под произвольным углом f.

[pic]

Рис. 14
Полагая эти пересекающиеся прямые координатными осями, обозначим угол, составляемый прямой ND с осью абсцисс, через t. Тогда из треугольника OND
(рис. 14) будем иметь:
[pic] откуда
[pic] и следовательно, уравнение прямой ND в отрезках на осях запишется в виде
[pic]
Дифференцируя это уравнение по t и исключая из полученного после дифференцирования равенства и уравнения прямой параметр t, получим параметрические уравнения косой астроиды в виде
[pic] при [pic] эти уравнения выражают рассмотренную ранее прямую астроиду.