Cykloidní - Cycloid

v geometrie, a cykloidní je křivka sledován bodem na a kruh jak se valí podél a přímka bez sklouznutí. Cykloid je specifická forma trochoid a je příkladem a ruleta, křivka generovaná křivkou valící se na jiné křivce.
Cykloid, s vrcholy směřující nahoru, je křivka nejrychlejšího sestupu pod konstantou gravitace (dále jen brachistochronová křivka ). Je to také forma křivky, pro kterou doba objektu v jednoduchý harmonický pohyb (opakovaně rolování nahoru a dolů) podél křivky nezávisí na výchozí poloze objektu ( tautochronová křivka ).
Dějiny
Moby Dick podle Herman Melville, 1851
Cykloid se jmenuje „The Helen Geometers “, protože to mezi matematiky 17. století způsobilo časté hádky.[1]
Historici matematiky navrhli několik kandidátů na objevitele cykloidu. Matematický historik Paul koželužna citoval podobnou práci syrského filozofa Iamblichus jako důkaz, že křivka byla známá již ve starověku.[2] Anglický matematik John Wallis psaní v roce 1679 připsal objev Nicholas of Cusa,[3] ale následné stipendium naznačuje, že buď Wallis se mýlil, nebo důkazy, které použil, jsou nyní ztraceny.[4] Galileo Galilei Jméno bylo uvedeno na konci 19. století[5] a alespoň jeden autor uvádí, že byl kredit udělen Marin Mersenne.[6] Počínaje prací Moritz Cantor[7] a Siegmund Günther,[8] vědci nyní upřednostňují francouzského matematika Charles de Bovelles[9][10][11] na základě jeho popisu cykloidu v jeho Úvod do geometriamu, publikovaný v roce 1503.[12] V této práci Bovelles chyby oblouk vystopovat valivým kolem jako součást většího kruhu s poloměrem 120% větší než menší kolo.[4]
Termín vytvořil Galileo cykloidní a byl první, kdo vážně studoval křivku.[4] Podle jeho studenta Evangelista Torricelli,[13] v roce 1599 se Galileo pokusil o kvadratura cykloidu (určující plochu pod cykloidem) neobvykle empirickým přístupem, který zahrnoval sledování jak generující kružnice, tak výsledného cykloidu na plechu, jejich vyříznutí a zvážení. Zjistil, že poměr byl zhruba 3: 1, ale nesprávně dospěl k závěru, že poměr byl iracionální zlomek, který by znemožnil kvadraturu.[6] Kolem roku 1628, Gilles Persone de Roberval pravděpodobně se o kvadraturním problému dozvěděl od Père Marin Mersenne a uskutečnil kvadraturu v roce 1634 pomocí Cavalieriho věta.[4] Tato práce však byla publikována až v roce 1693 (v jeho Traité des Indivisibles).[14]
Stavba tečna z cykloidu se datuje do srpna 1638, kdy Mersenne dostal jedinečné metody od Robervala, Pierre de Fermat a René Descartes. Mersenne předal tyto výsledky Galileovi, který je předal svým studentům Torricelli a Vivianě, kteří byli schopni vytvořit kvadraturu. Tento výsledek a další publikoval Torricelli v roce 1644,[13] což je také první tištěná práce o cykloidu. To vedlo k tomu, že Roberval obvinil Torricelliho z plagiátorství, přičemž kontroverze byla zkrácena Torricelliho předčasnou smrtí v roce 1647.[14]
V roce 1658 se Blaise Pascal vzdal matematiky pro teologii, ale přestože ho bolel zub, začal uvažovat o několika problémech týkajících se cykloidu. Bolest zubů zmizela a on to vzal jako nebeské znamení, aby mohl pokračovat ve svém výzkumu. O osm dní později dokončil svoji esej a pro zveřejnění výsledků navrhl soutěž. Pascal navrhl tři otázky týkající se centrum gravitace, plocha a objem cykloidu, přičemž vítěz nebo vítězové obdrží ceny ve výši 20 a 40 španělských dublony. Pascal, Roberval a senátor Carcavy byli soudci a ani jeden ze dvou podání (autor) John Wallis a Antoine de Lalouvère ) byly posouzeny jako přiměřené.[15]:198 Zatímco soutěž probíhala, Christopher Wren poslal Pascalovi návrh na důkaz náprava cykloidu; Roberval okamžitě tvrdil, že o důkazu věděl roky. Wallis zveřejnil Wrenův důkaz (ve prospěch Wrena) ve Wallisově Tractus Duo, což dává Wrenovi přednost za první publikovaný důkaz.[14]
O patnáct let později Christiaan Huygens nasadil cykloidní kyvadlo ke zlepšení chronometrů a zjistil, že částice projde segmentem obráceného cykloidního oblouku ve stejnou dobu bez ohledu na jeho počáteční bod. V roce 1686 Gottfried Wilhelm Leibniz použila analytickou geometrii k popisu křivky pomocí jediné rovnice. V roce 1696 Johann Bernoulli položil brachistochrone problém, jehož roztokem je cykloid.[14]
Rovnice
Cykloid přes počátek, s vodorovnou základnou danou X-osa, generovaná kruhem o poloměru r převrácení "kladné" strany základny (y ≥ 0), skládá se z bodů (X, y), s
kde t je skutečný parametr, což odpovídá úhlu, o který se valivá kružnice otáčí. Za dané t, střed kruhu leží na (X, y) = (rt, r).
Řešení pro t a nahrazení Kartézská rovnice je shledáno jako:
Když y je zobrazena jako funkce X, cykloid je rozlišitelný všude kromě na vrcholy, kde narazí na X-os, s derivací směřující k nebo jak se člověk blíží k vrcholu. Mapa z t na (X, y) je diferencovatelná křivka nebo parametrická křivka třídy C∞a singularita, kde je derivát 0, je obyčejný hrot.
Cykloidní segment z jednoho hrotu na druhý se nazývá oblouk cykloidu. První oblouk cykloidu se skládá z takových bodů
Rovnice cykloidu vyhovuje diferenciální rovnice:[16]
Evolventní

The evolventní cykloidu má tu vlastnost, že je přesně stejný cykloid, ze kterého pochází. To lze jinak vidět z hrotu drátu původně ležícího na polovičním oblouku cykloidu, který popisuje cykloidní oblouk rovný tomu, na kterém ležel jednou rozbalený (viz také cykloidní kyvadlo a délka oblouku ).
Demonstrace

Existuje několik ukázek tvrzení. Ten, který je zde uveden, používá fyzikální definici cykloidu a kinematickou vlastnost, že okamžitá rychlost bodu je tečná k jeho trajektorii. S odkazem na sousední obrázek a jsou dva tečné body patřící do dvou kružnic. Dva kruhy se začnou valit stejnou rychlostí a stejným směrem bez smyku. a začněte kreslit dva cykloidní oblouky jako na obrázku. Vzhledem k připojení linky a v libovolném okamžiku (červená čára) je možné to dokázat čára je kdykoli tečna do spodního oblouku a ortogonální k dotyčnici v horního oblouku. Jeden vidí to volání společný bod mezi horním a dolním kruhem:
- jsou zarovnány, protože (stejná rychlost válcování), a proto . Bod leží na lince proto analogicky . Z rovnosti a jeden to také má . Následuje .
- Li je místem setkání mezi svislicí z na rovinu a tečnu kružnice v , pak trojúhelník je rovnoramenný, protože a (lze snadno prokázat konstrukci) . Pro předchozí uvedenou rovnost mezi a pak a je rovnoramenný.
- Dirigování od ortogonální rovně k , z přímka tečna k hornímu kruhu a volání místo setkání je to nyní snadno vidět je kosočtverec, pomocí vět o úhlech mezi rovnoběžkami
- Nyní zvažte rychlost z . Lze to vidět jako součet dvou složek, rychlosti válcování a rychlost driftování . Obě rychlosti jsou v modulu stejné, protože kruhy se otáčejí bez smyku. je paralelní s a je tečna k dolnímu kruhu v proto je paralelní s . Kosočtverec tvořený složkami a je tedy podobný (stejné úhly) kosočtverci protože mají paralelní strany. Celková rychlost je pak paralelní s protože oba jsou úhlopříčky dvou kosočtverců s rovnoběžnými stranami a mají společné s kontaktní místo . Z toho vyplývá, že vektor rychlosti leží na prodloužení . Protože je tečna k oblouku cykloidu v (vlastnost rychlosti trajektorie), z toho také vyplývá se shoduje s tangensou k dolnímu cykloidnímu oblouku .
- Analogicky lze snadno prokázat, že je kolmý na (jiná úhlopříčka kosočtverce).
- Špička neroztažitelného drátu se zpočátku napínala na poloviční oblouk spodního cykloidu a směřovala k hornímu kruhu dovnitř poté bude následovat bod podél jeho cesty beze změny jeho délky protože rychlost hrotu je v každém okamžiku kolmá k drátu (bez roztahování nebo stlačení). Drát bude současně tečný do spodního oblouku, protože napětí a předvedené předměty. Pokud by to nebylo tečné, pak by v něm byla diskontinuita a následně by existovaly nevyvážené napínací síly.
Plocha
Použití výše uvedené parametrizace pro jeden oblouk cykloidu generovaného kruhem o poloměru r,
pro plocha pod obloukem je dána vztahem
Tento výsledek a některé zevšeobecnění lze získat bez výpočtu podle Mamikona vizuální kalkul.
Délka oblouku

Délka oblouku S jednoho oblouku je dán
Další okamžitý způsob, jak vypočítat délku cykloidu vzhledem k vlastnostem evolventní je všimnout si, že když byl drát popisující evolventní evoluci zcela rozbalen, prodlužuje se o dva průměry, délku 4r. Protože drát během rozbalování nemění délku, vyplývá z toho, že délka poloviny cykloidního oblouku je 4r a to úplného oblouku je 8r.
Cykloidní kyvadlo

Pokud je jednoduché kyvadlo zavěšeno na špičce obráceného cykloidu, tak, že je „struna“ omezena mezi sousedními oblouky cykloidu a délkou kyvadla L se rovná délce poloviny délky oblouku cykloidu (tj. dvojnásobek průměru generující kružnice, L = 4r), bob z kyvadlo také sleduje cykloidní cestu. Takové cykloidní kyvadlo je izochronní, bez ohledu na amplitudu. Po zavedení souřadnicového systému se středem v poloze hrotu je pohybová rovnice dána vztahem:
kde je úhel přímé části řetězce vzhledem ke svislé ose a je dán vztahem
kde A <1 je „amplituda“, je radiánová frekvence kyvadla a G gravitační zrychlení.

Holandský matematik ze 17. století Christiaan Huygens objevil a prokázal tyto vlastnosti cykloidu při hledání přesnějších návrhů kyvadlových hodin, které by se mohly použít v navigaci.[17]
Související křivky
Několik křivek souvisí s cykloidem.
- Trochoid: zobecnění cykloidu, ve kterém bod sledující křivku může být uvnitř válcovací kružnice (curtate) nebo venku (prolate).
- Hypocykloid: varianta cykloidu, ve které se místo čáry valí kruh na vnitřní straně jiného kruhu.
- Epicykloid: varianta cykloidu, ve které se místo čáry válí kruh na vnější straně jiného kruhu.
- Hypotrochoid: zobecnění hypocykloidu, kde zdrojový bod nemusí být na okraji válcovacího kruhu.
- Epitrochoid: zobecnění epicykloidu, kde generující bod nemusí být na okraji klouzavého kruhu.
Všechny tyto křivky jsou rulety s kruhem válcovaným podél další křivky uniformy zakřivení. Cykloid, epicykloidy a hypocykloidy mají tu vlastnost, že každý z nich je podobný k jeho evoluce. Li q je produkt této křivky s poloměrem kruhu, znaménko kladné pro epi- a záporné pro hypo-, pak křivka: evolutní poměr podobnosti je 1 + 2q.
Klasika Spirograf hračka sleduje hypotrochoid a epitrochoid křivky.
Jiná použití

Cykloidní oblouk použil architekt Louis Kahn v jeho návrhu pro Muzeum umění Kimbell v Fort Worth, Texas. To bylo také používáno v designu Hopkinsovo centrum v Hanover, New Hampshire.[Citace je zapotřebí ]
Časné výzkumy ukázaly, že některé příčné klenuté křivky desek houslí zlatého věku jsou úzce modelovány curtátovými cykloidními křivkami.[18] Pozdější práce naznačuje, že curtate cykloidy neslouží jako obecné modely pro tyto křivky,[19] které se značně liší.
Viz také
Reference
- ^ Cajori, Florian (1999). Dějiny matematiky. New York: Chelsea. p. 177. ISBN 978-0-8218-2102-2.
- ^ Tannery, Paul (1883), „Pour l'histoire des lignes et povrchy courbes dans l'antiquité“, Bulletin des sciences mathèmatique, Paříž: 284 (citováno v Whitman 1943);
- ^ Wallis, D. (1695). „Výňatek z dopisu dr. Wallise ze dne 4. května 1697 týkajícího se cykloidů známých kardinálovi Cusanovi z roku 1450; a Caroluse Bovilla z roku 1500“ (PDF). Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. 19 (215–235): 561–566. doi:10.1098 / rstl.1695.0098. (Citováno v Günther, s. 5)
- ^ A b C d Whitman, E. A. (květen 1943), „Několik historických poznámek o cykloidu“, Americký matematický měsíčník, 50 (5): 309–315, doi:10.2307/2302830, JSTOR 2302830 (vyžadováno předplatné)
- ^ Cajori, Florian (1999), Dějiny matematiky (5. vydání), s. 162, ISBN 0-8218-2102-4(Poznámka: první (1893) vydání a jeho dotisky uvádějí, že Galileo vynalezl cykloid. Podle Phillipsa to bylo opraveno ve druhém (1919) vydání a zůstalo až do posledního (pátého) vydání.)
- ^ A b Roidt, Tom (2011). Cykloidy a cesty (PDF) (SLEČNA). Státní univerzita v Portlandu. p. 4.
- ^ Cantor, Moritz (1892), Vorlesungen über Geschichte der Mathematik, Bd. 2, Lipsko: B. G. Teubner, OCLC 25376971
- ^ Günther, Siegmund (1876), Vermischte untersuchungen zur geschichte der mathematischen wissenschaften, Lipsko: Druck und Verlag Von B. G. Teubner, s. 352, OCLC 2060559
- ^ Phillips, J. P. (květen 1967), „Brachistochrone, Tautochrone, Cycloid - Apple of Discord“, Učitel matematiky, 60 (5): 506–508, JSTOR 27957609(vyžadováno předplatné)
- ^ Victor, Joseph M. (1978), Charles de Bovelles, 1479-1553: Intelektuální biografie, str. 42, ISBN 978-2-600-03073-1
- ^ Martin, J. (2010). „Helen of Geometry“. The College Mathematics Journal. 41: 17–28. doi:10.4169 / 074683410X475083.
- ^ de Bouelles, Charles (1503), Introductio in geometriam ... Liber de quadratura circuli. Liber de cubicatione koule. Perspectiva introductio., OCLC 660960655
- ^ A b Torricelli, Evangelista (1644), Opera geometrica, OCLC 55541940
- ^ A b C d Walker, Evelyn (1932), Studie Robervalova Traité des Indivisibles, Columbia University (citováno v Whitman 1943);
- ^ Conner, James A. (2006), Pascal's Wager: The Man Who Played Dice with God (1. vyd.), HarperCollins, str.224, ISBN 9780060766917
- ^ Roberts, Charles (2018). Elementární diferenciální rovnice: aplikace, modely a výpočty (2. ilustrované vydání). CRC Press. p. 141. ISBN 978-1-4987-7609-7. Výňatek ze strany 141, rovnice (f) s jejich K.=2r
- ^ C. Huygens, „Kyvadlové hodiny nebo geometrické ukázky týkající se pohybu kyvadla (sic) při aplikaci na hodiny,“ překládal R. J. Blackwell, Iowa State University Press (Ames, Iowa, USA, 1986).
- ^ Playfair, Q. „Curtate Cycloid Arching in Golden Age Cremonese Violin Family Instruments“. Catgut Acoustical Society Journal. II. 4 (7): 48–58.
- ^ Mottola, RM (2011). „Porovnání vyklenutých profilů houslí zlatého věku Cremonese a některých matematicky vytvořených křivek“. Savart Journal. 1 (1).
Další čtení
- Aplikace z fyziky: Ghatak, A. & Mahadevan, L. Crack street: cykloidní brázda a válec trhání přes list. Physical Review Letters, 91, (2003). link.aps.org
- Edward Kasner a James Newman (1940) Matematika a představivost, str. 196–200, Simon & Schuster.
- Wells D (1991). Slovník tučňáků zvědavé a zajímavé geometrie. New York: Penguin Books. str. 445–47. ISBN 0-14-011813-6.
externí odkazy
- O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Cykloidní", MacTutor Historie archivu matematiky, University of St Andrews.
- Weisstein, Eric W. "Cykloidní". MathWorld. Získaný 27. dubna 2007.
- Cykloidy na cut-the-uzel
- Pojednání o cykloidu a všech formách cykloidních křivek, monografie Richard A. Proctor, B.A. zveřejnil Cornell University Library.
- Cykloidní křivky autor Sean Madsen s příspěvky Davida von Seggerna, Demonstrační projekt Wolfram.
- Cykloid na PlanetPTC (Mathcad)
- VIZUÁLNÍ přístup k problémům CALCULUS Tom Apostol