Линия (геометрич. понятие)
Ли'ния(от лат. linea), геометрическое понятие, точное и в то же время достаточно общее определение которого представляет значительные трудности и осуществляется в различных разделах геометрии различно.
1) В элементарной геометрии рассматриваются прямые Л., отрезки прямых, ломаные Л., составленные из отрезков, и некоторые кривые Л. Каждый вид кривых Л. определяется тем или иным специальным способом (например, окружность определяется как геометрическое место точек, имеющих заданное расстояние R от заданной точки О - центра окружности). Иногда в учебниках дают определение Л. как границы куска поверхности (поверхность определяется при этом как граница тела) или как траектории движущейся точки. Но в рамках элементарной геометрии эти определения не получают отчётливой формулировки.
2) Представление о Л. как траектории движущейся точки может быть сделано вполне строгим при помощи идеи параметрического представления Л. Например, вводя на плоскости прямоугольные координаты (
x, у), можно параметрически задать окружность радиуса R с центром в начале координат уравнениями
x = R cos t, y = R sin t.
Когда параметр
tпробегает отрезок 0 Ј
tЈ 2p, точка (
х, у) описывает окружность. Вообще, Л. на плоскости задают параметрическими уравнениями вида
x =j (
t)
, у =
(
t)
,
где j (
t)
,
(
t) - произвольные функции, непрерывные на каком-нибудь конечном или бесконечном интервале D числовой оси
t. С каждым значением параметра
t(из интервала D) уравнения (*) сопоставляют некоторую точку M, координаты которой определяются этими уравнениями. Л., заданная параметрическими уравнениями (*) есть множество точек, соответствующих всевозможным значениям
tиз D, при условии, что эти точки рассматриваются в определенном порядке, именно: если точка
M
1соответствует значению параметра
t
1, а точка
M
2- значению
t
2, то
M
1считается предшествующей
M
2, если
t
1< t
2При этом точки, отвечающие различным значениям параметра, всегда считаются различными.
Аналогично, в трёхмерном пространстве Л. задаётся параметрически тремя уравнениями вида
x =j (
t)
, у =
(
t)
, z =c (
t)
,
где j (
t)
,
(
t)
,c (
t) - произвольные функции, непрерывные на каком-нибудь интервале. В произвольном
топологическом пространстве
Т (которое, в частности, может быть плоскостью, поверхностью, обычным трёхмерным пространством, функциональным пространством и т. п.) Л. параметрически задают уравнением вида
P =j (
t)
,
где j
- функция действительного переменного
t, непрерывная на каком-либо интервале, значения которой суть точки пространства Т. Считают, что два параметрических представления задают одну и ту же Л., если они определяют один и тот же порядок следования её точек (в смысле, указанном выше).
В анализе и топологии рассматривают обычно случай, когда область изменения параметра
tесть отрезок
аЈ
tЈ
b. В этом случае условие того, чтобы два параметрических представления
Р =j (
t)
, aЈ
tЈ
b
P =j
1
(
t
1)
, a
1Ј
t
1Ј
b
1,
изображали одну и ту же Л., заключается в существовании непрерывной и строго возрастающей функции
t
1=
f(
t)
,
для которой
f(
a)
= a
1, f(
b)
= b
1,j (
t)
=j
1[f(
t)
].
Такое понимание термина «Л.» наиболее естественно в большинстве вопросов анализа (например, в теории криволинейных интегралов) и механики. Так как Л. здесь рассматривается вместе с порядком, в котором пробегает её точки переменная точка М при возрастании
t, то при этом естественно возникает вопрос о числе прохождений переменной точки Л. через какую-либо точку пространства. Кроме простых точек, проходимых один раз, Л. может иметь кратные точки, которые проходятся несколько раз (отвечающие различным значениям параметра).
Например, при изменении
tв пределах - Ґ <
t< Ґ точка с координатами
,
описывает строфоиду (см.
рис. «Алгебраические кривые третьего порядка», № 5
), попадая в положение
х= 0,
у= 0 два раза при
t= - 1 и
t= + 1.
3) Из аналитической геометрии известен и другой способ задания Л. на плоскости уравнением
F(
x, y) = 0;
в пространстве - двумя уравнениями
F(
x, у, z) = 0,
G(
x, y, z) = 0.
Ограничиваясь случаем плоскости, укажем лишь, как строится понятие алгебраической Л. (кривой) - Л., определяемой уравнением
F(
x, y)
= 0,
где
F(
x, у) -
целая алгебраическая функция,т. е. многочлен како-либо степени
n³ 1. В этом случае считают, что два многочлена
F
1(
x, у) и
F
2(
x, у) определяют одну и ту же алгебраическую Л. в том и только в том случае, когда существует такая постоянная с ¹ 0, что выполняется тождественно соотношение
F
1(
x, y)
= cF
2(
x, у)
.
Таким образом, все многочлены, определяющие одну и ту же Л., имеют одну и ту же степень
n, называемую порядком соответствующей Л. Например, в аналитической геометрии принято считать, что уравнение
(
х - у)
2
= 0
определяет Л. второго порядка, а именно, дважды взятую прямую
х - у= 0.
В связи с последним примером необходимо заметить, однако, что часто целесообразно ограничиваться рассмотрением неприводимых алгебраических Л., т. е. таких Л., для которых многочлен не допускает представления F = GH, где G и Н - отличные от постоянных многочлены. Далее, в пункте 4, имеется в виду только этот случай.
Говорят, что точка (
x
0, y
0) кривой
F(
x, у) = 0 имеет кратность m, если разложение
F(
x, у) по степеням x =
х - x
0, h =
у - y
0начинается с членов степени
m(по совокупности переменных x и h). В случае
m= 2, т. е. в случае двойной точки
F(
x, у)
= а
11(
х - x
0)
2+ 2а
12(
х - x
0)
(
у - y
0)
+ a
22(
y - y
0)
2+ ...,
где многоточие означает, что далее следуют члены высших порядков. При помощи дискриминанта
d
= a
11a
22- а
12
2
можно определить тип двойной точки (см.
Особые точки
)
.
4) Часто, особенно при изучении алгебраической Л., целесообразно стать на точку зрения комплексной проективной геометрии, т. е. рассматривать, наряду с точками евклидовой действительной плоскости (или пространства), точки бесконечно удалённые и мнимые. Только при таком подходе (и надлежащем учёте кратности пересечения) становится верным, например, утверждение, что две Л. порядков
nи
mпересекаются в mn точках. В случае
m= 1 это приводит к возможности определить порядок Л. как число
nточек её пересечения с прямой.
С проективной точки зрения естественно задавать Л. на плоскости однородным уравнением
F(
x
1, x
2, x
3)
= 0
между однородными координатами
x
1, x
2, x
3её точек. В силу принципа двойственности с этим заданием равноправно задание Л. уравнением
F(x
1, x
2, x
3) = 0,
связывающим однородные координаты прямых, касающихся Л. Таким образом, наряду с порядком Л. (степенью уравнения F = 0) естественно возникает понятие класса Л. - степени уравнения F = 0. Класс алгебраических Л. можно также определить как число касательных, которые можно провести к Л. из произвольной точки. О параметрическом представлении Л. см. также
Уникурсальные кривые.
5) Рассмотренные выше (в пунктах 2-4) уточнения и обобщения понятия Л. существенно связаны с соответствующим алгебраическим и аналитическим аппаратом. В отличие от этого, современная
топология
выдвинула задачу уточнения представления о Л. как о множестве точек, независимо от алгебраического или аналитического способов задания этого множества.
Если исходить из параметрического задания Л. в виде непрерывной функции
P =j (
t), где
tпробегает отрезок
аЈ
tЈ
b, но интересоваться только полученным множеством точек без учёта порядка их следования, то приходят к понятию Л., сформулированному в 80-x гг. 19 в. К.
Жорданом
(см.
Жордана кривая
)
.Оказывается, что таким непрерывным образом отрезка может быть любой локально связный континуум, в частности квадрат, треугольник, куб и т. п. (см.
Пеано кривая
)
.Поэтому теперь обычно предпочитают говорить не о Л. в смысле Жордана, а о локально связных, или жордановых, континуумах. Взаимно однозначный непрерывный образ отрезка называют простой дугой, или жордановой дугой. Взаимно однозначный непрерывный образ окружности называют простой замкнутой Л. Простые дуги и простые замкнутые Л. не исчерпывают, однако, точечных множеств, заслуживающих наименования Л.
Избегая и чрезмерной общности, и чрезмерного сужения понятия Л., в современной топологии пользуются понятием Л., введённым в 1921 П. С.
Урысоном,который определяет Л. (кривую) как произвольный
континуум
размерности единица. Континуум имеет размерность единица, если при любом e > 0 он может быть представлен в виде суммы конечного числа замкнутых множеств диаметра, меньшего e, обладающих тем свойством, что никакие три из этих замкнутых множеств не имеют общей точки (см. также
Размерность
в геометрии). Континуум, лежащий на плоскости, будет Л. в смысле Урысона тогда и только тогда, когда он не содержит внутренних точек. Этим свойством характеризовал ранее (70-е гг. 19 в.) Л., лежащие на плоскости, Г.
Кантор.Хотя определение Кантора применимо только к Л., лежащим на плоскости, иногда и общие Л. в смысле Урысона называют «канторовыми кривыми».
Л. Н. Колмогоров.
6) Ещё математики древности изучали
линии второго порядка
(
эллипс,
гиперболуи
параболу
)
.Ими же был рассмотрен ряд отдельных замечательных алгебраических Л. более высокого порядка, а также некоторые трансцендентные (неалгебраические) Л. Систематическое изучение Л. и их классификация стали возможными с созданием аналитической геометрии (Р.
Декарт
)
.
Из Л. третьего порядка наиболее известны:
Декартов лист (см.
рис. «Алгебраические кривые третьего порядка», № 1
). уравнение в прямоугольных координатах:
x
3+ y
3- 3аху= 0. Впервые кривая определяется в письме Р. Декарта к П. Ферма в 1638. Полная форма кривой с наличием асимптоты, проходящей через точки ( -
а, 0) и (0, -
а), была определена позднее (1692) Х.
Гюйгенсом
и И.
Бернулли.Название «декартов лист» установилось в начале 18 в.
Локон Аньези (см.
рис. «Алгебраические кривые третьего порядка», № 2
). Пусть имеется круг с диаметром OC = -
аи отрезок BDM, построенный так, что ОВ : BD = OC : ВМ; геометрическое место точек М представляет собой локон Аньези (или верзиеру). уравнение в прямоугольных координатах:
у = a
3/(
a
2+ x
2). Исследование этой Л. связано с именем итальянской женщины-математика Марии Аньези (1748).
Кубическая парабола (см.
рис. «Алгебраические кривые третьего порядка», № 3
). уравнение в прямоугольных координатах:
у = x
3.
Полукубическая парабола (см.
рис. «Алгебраические кривые третьего порядка», № 4
), парабола Нейля. уравнение в прямоугольных координатах:
у = -сх
3/2. Названа по имени английского математика У. Нейля (1657), нашедшего длину её дуги.
Строфоида (от греч. strуphos - кручёная лента и йidos - вид) (см.
рис. «Алгебраические кривые третьего порядка», № 5
). Пусть имеется неподвижная прямая АВ и точка С вне её на расстоянии CO =
а; вокруг С вращается прямая, пересекающая АВ в переменной точке N. Если от точки N отложить по обе стороны прямой АВ отрезки NM = NM' = NO, то геометрическое место точек М и М' для всех положений вращающегося луча CN и есть строфоида. Уравнение в прямоугольных координатах:
; в полярных координатах: r = -a cos 2j/cosj. Впервые строфоиду исследовал Э.
Торричелли
(1645), название было введено в середине 19 в.
Циссоида Диоклеса (см.
рис. «Алгебраические кривые третьего порядка», № 6
) (греч. kissoeides, от kissуs - плющ и йidos - вид), геометрическое место точек М, для которых OM = PQ (Р - произвольная точка производящего круга с диаметром
а). Уравнение в прямоугольных координатах:
y
2= х
3/(
а - х); в полярных координатах: r =
asin
2j/cos j. Древние греки рассматривали только ту часть циссоиды, которая находится внутри производящего круга. Вместе с дугой окружности эта часть образует фигуру, напоминающую лист плюща (откуда название); наличие бесконечных ветвей было установлено в 17 в. французским математиком Ж. П. Робервалем и независимо от него бельгийским математиком Р. Ф. Слюзом.
Из Л. четвёртого и более высоких порядков наиболее известны:
Кардиоида (от греч. kardнa - сердце и йidos - вид) (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 1
), кривая, описываемая какой-либо точкой М окружности радиуса а, катящейся без скольжения по неподвижной окружности того же радиуса. уравнение в прямоугольных координатах: (
x
2+ y
2- 2ах)
2= 4a(
x
2+ y
2); в полярных координатах: r = 2а (1 + cos j).
Конхоида Никомеда (от греч. konchoeides - похожий на раковину) (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 2
), кривая, получающаяся при увеличении или уменьшении каждого радиус-вектора точек данной прямой на одну и ту же величину
d, т. о., OM = OP -
dили OM' = OP +
d. Если расстояние от полюса О до данной прямой равно а, то уравнение в прямоугольных координатах: (
х - а)
2
(
х
2+ y
2)
- d
2x
2= 0, в полярных координатах: r =
a/cosj ±
d. Впервые рассматривалась древнегреческим геометром Никомедом (около 250-150 до нашей эры), который использовал её для решения задач о
трисекции угла
и
удвоении куба.
Лемниската Бернулли (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 3
) (от лат. lemniscatus, буквально - украшенный лентами), кривая, имеющая форму восьмёрки; геометрическое место точек, произведение расстояний которых от фокусов F
1( -
а, 0) и F
2(
а, 0) равно
а
2. уравнение в прямоугольных координатах:
(
x
2+ y
2)
2- 2a
2(
x
2- y
2) =0, в полярных координатах: r
2= 2а
2cos 2j. Впервые рассматривалась Я.
Бернулли
(1694). Лемниската является частным случаем овалов Кассини и синус-спиралей.
Овалы Декарта (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 4
), геометрические места точек М, расстояния которых от двух фиксированных точек F
1и F
2, называемых фокусами, умноженные на данные числа, имеют постоянную сумму
с, то есть
mMF
1+ +
nMF
2=
с. уравнение в прямоугольных координатах:
(
x + y’’ -2rx)
2- l
2(
x
2+ y
2)
- k= 0,
где
r, lи
k- некоторые постоянные, связанные с параметрами
m, nи
d; в полярных координатах:
(
n
2- m
2)(
2+ 2((
mc - n2d cos()
+ n
2d
2- с
2= 0.
Помимо фокусов F
1и F
2, имеется и третий фокус F
3, равноправный с каждым из них. При
m= 1,
n= 1 овал Декарта превращается в эллипс; при
m= 1 и
n= -1 - в гиперболу. Частным случаем овала является также улитка Паскаля. Овалы впервые исследовались Р. Декартом (1637).
Овалы Кассини (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 5
), геометрические места точек М, произведение расстояний которых от двух данных точек постоянно. Пусть F
1и F
2точки на оси абсцисс, F
1F
2= 2
b, а произведение MF
1ЧMF
2=
а
2. уравнение в прямоугольных координатах:
(
x
2+ y
2)
2- 2b
2(
a
2- y
2)
= a
4- b
4.
Если
, то овал Кассини - выпуклая кривая; если
b<
a<
, то кривая имеет вид овала с двумя утолщениями; при
а = bовал Кассини превращается в лемнискату, наконец, при
b > аовал Кассини является двусвязной кривой. Впервые рассмотрена Дж.
Кассини
(17 в.).
Улитка Паскаля (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 6
), геометрическое место точек М и M', расположенных на прямых пучка (центр которого О лежит на окружности радиуса R) на расстоянии а по обе стороны от точки Р пересечения прямых с окружностью; т. о., PM = PM' =
а. уравнение в прямоугольных координатах: (
x
2+ y
2- 2Rx)
2- а
2(
х
2+ y
2) = 0, в полярных координатах: r = 2
Rcos j +
а. При
а =2
Rпетля стягивается в точку, в этом случае улитка Паскаля превращается в кардиоиду. Название по имени французского учёного Э. Паскаля (1588-1651), впервые изучавшего её.
Астроида (от греч. бstron - звезда и йidos - вид) (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 7
), кривая, описываемая точкой подвижной окружности, которая касается изнутри неподвижной окружности вчетверо большего радиуса и катится по ней без скольжения. уравнение в прямоугольных координатах:
x
2/3+ y
2/3= а
2/3, где
а- радиус неподвижной окружности. Астроида - линия 6-го порядка.
Розы (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 8
), кривые, полярное уравнение которых:
r
= asin
mj; если
m- рациональное число, то розы - алгебраической Л. чётного порядка. При
mнечётном роза состоит из от лепестков, при
mчётном - из 2
mлепестков; при
mрациональном лепестки частично покрывают друг друга.
Синусоидальные спирали, синус-спирали (см.
рис. «Алгебраические кривые четвертого и более высоких порядков», № 9
), кривые, полярное уравнение которых r
m= a
mcos
mj; если
m- рациональное число, то эти Л. - алгебраические. Частные случаи:
m= 1 - окружность,
m= - 1 - прямая,
m= 2 - лемниската Бернулли,
m= -2 - равнобочная гипербола,
m=
1/
2- кардиоида,
m= -
1/
2- парабола. При целом
m> 0 Л. состоит из m лепестков, каждый из которых лежит внутри угла, равного p/
m, при рациональном
m> 0 лепестки могут частично покрывать друг друга; если
m< 0, то Л. состоит из от бесконечных ветвей.
Большой интересный класс составляют трансцендентные Л. К ним относятся графики
тригонометрических функций
(синусоида, тангенсоида),
логарифмической функции,
показательной функции,
гиперболических функций,а также следующие Л.:
Квадратриса (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 1
). Пусть прямая MN равномерно вращается против часовой стрелки вокруг точки О, а прямая А'В' равномерно движется справа налево, оставаясь параллельной OC. Далее, пусть за время движения A'B' от AB до OC прямая MN поворачивается на прямой угол и переходит из положения OA =
rв положение OC. Геометрическое место точек Р пересечения прямых MN и A'B' и есть квадратриса. уравнение в прямоугольных координатах:
; в полярных координатах:
. Часть квадратрисы, заключённая в квадрате OABC, была известна древнегреч. математикам. Открытие квадратрисы приписывается Гиппию Элидскому (5 в. до н. э.), использовавшему её для решения задачи о трисекции угла. Динострат (4 в. до н. э.) с помощью квадратрнсы выполнил квадратуру круга.
Трактриса (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 2
), кривая, для которой длина отрезка касательной от точки касания М до точки Р пересечения с данной прямой есть величина постоянная, равная
а. Уравнение в прямоугольных координатах:
.
Цепная линия (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 3
), кривая, форму которой принимает гибкая однородная и нерастяжимая тяжёлая нить, концы которой закреплены в двух точках. уравнение в прямоугольных координатах:
у = a
= а(
e
x/a+ е
-х/a)
/2.
Циклоида (от греч. kykloeides - кругообразный) (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 4
), кривая, которую описывает точка Р, расположенная на расстоянии а от центра круга радиуса
r, катящегося без скольжения по прямой линии. Если Р лежит на окружности круга (
r = а), получают обыкновенную циклоиду (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 4а
), если она лежит внутри круга (
r > а), - укороченную циклоиду (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 4б
), если точка вне круга (
r < а), - удлинённую циклоиду (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 4в
). Две последние Л. называют трохоидами. Уравнение в параметрической форме:
,
.
Среди трансцендентных Л. особый класс составляют спирали (от греч. spйira, буквально - витое), плоские кривые линии, бесчисленное множество раз обходящие некоторую точку, с каждым обходом приближаясь к ней или с каждым обходом удаляясь от неё. Если выбрать эту точку за полюс системы координат, то полярное уравнение спирали r = f(j) таково, что f(j + 2p) > f(j) или f(j + 2p) < f(j) при всех j. Из спиралей наиболее известны:
Архимедова спираль (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 5
), кривая, описываемая точкой, равномерно движущейся по прямой в то время, как эта прямая равномерно вращается в плоскости вокруг точки О. уравнение в полярных координатах: r =
aj, где а - постоянная. Эта спираль изучалась
Архимедом
(3 в. до н. э.) в связи с задачами трисекции угла и квадратуры круга.
Гиперболическая спираль (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 6
), кривая, описываемая точкой М, движущейся по вращающейся прямой OA, так, что её расстояние от центра вращения меняется обратно пропорционально углу поворота. Уравнение в полярных координатах: r = а/j.
Жезл (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 7
), кривая, уравнение которой в полярных координатах:
. Каждому значению j соответствуют два значения r - положительное и отрицательное. Кривая состоит из двух ветвей, каждая из которых асимптотически приближается к полюсу.
Логарифмическая спираль (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 8
), кривая, уравнение которой в полярных координатах: r = ае
к
j. Была известна многим математикам 17 в.
Спираль Корню (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 9
), клотоида, кривая, состоящая из двух ветвей, симметричных относительно начала координат. уравнение в параметрической форме:
, y = a
.
Использовалась французским физиком М. А. Корню (1874) для графич. решения некоторых задач дифракции света.
Si-ci-спираль (см.
рис. «Трансцендентные кривые», № 10
), кривая, параметрическое уравнение которой имеет вид
,
,
si(
t) и
ci(
t) -
интегральный синус и интегральный косинус.
К циклоиде по способу построения примыкает класс циклоидальных кривых, которые могут быть как алгебраическими, так и трансцендентными. Среди них:
Гипоциклоида (см.
рис. «Циклоидальные кривые», № 1а, 1б
)
,кривая, описываемая точкой окружности, катящейся без скольжения по другой окружности внутри её. Уравнение в параметрической форме:
,
,
где А - радиус неподвижной, а
а- подвижной окружности. Вид кривой зависит от отношения
А/а.
Эпициклоида (см.
рис. «Циклоидальные кривые», № 2а, 2б
), кривая, описываемая точкой окружности, катящейся без скольжения по другой окружности вне её. Уравнение получится из уравнения гипоциклоиды заменой
ана -
а.
Удлинённая гипоциклоида (эпициклоида), кривая, описываемая точкой, лежащей вне окружности, которая катится без скольжения по другой окружности внутри (вне) её (см.
рис. «Циклоидальные кривые», № 3а, 4д
). Аналогично определяется укороченная гипоциклоида (эпициклоида) (см.
рис. «Циклоидальные кривые», № 3б, 4б
). Удлинённые и укороченные гипоциклоиды и эпициклоиды иногда называются гипо- и эпитрохоидами.