Декартов лист — плоская алгебраическая кривая третьего порядка, удовлетворяющая уравнению в прямоугольной системе . Параметр определяется как диагональ квадрата, сторона которого равна наибольшей хорде петли.

История

Впервые уравнение кривой исследовал Р. Декарт в 1638 году, однако он построил только петлю в первом координатном угле, где и принимают положительные значения. Декарт полагал, что петля симметрично повторяется во всех четырёх координатных четвертях, в виде четырёх лепестков цветка. В то время эта кривая называлась цветком жасмина (, ).

В современном виде эту кривую впервые представил Х. Гюйгенс в 1692 году.

Уравнения В прямоугольной системе по определению:

В полярной системе:

Параметрическое уравнение в прямоугольной системе: , где .

Часто рассматривают повёрнутую на кривую. Её уравнения выглядят так: В прямоугольной системе: , где

Параметрическое:

В полярных координатах:

Вывод уравнений повёрнутой кривойСистему координат XOY преобразуют в систему координат UOV, которая получается поворотом осей OX и OY по часовой стрелке на угол и переориентацией оси OX в противоположном направлении:

Выражение старых координат XY через новые UV выглядит так:

, или

,

После подстановки выражений старых координат через новые уравнение декартова листа преобразуется к следующему виду: .

Вводим параметр , последнее уравнение перепишется так:

или . Заменяем переменные u и v на привычные x и y и получаем уравнение декартового листа в новой системе координат:

Подставив в уравнение предыдущее , получаем уравнение декартова листа в полярной системе координат: .

Решая данное выражение относительно , получаем:

.

Свойства Прямая — ось симметрии, её уравнение: . Точка A называется вершиной, её координаты .

Для обеих ветвей существует асимптота , её уравнение: . Вывод уравнения асимптотыДля повёрнутого декартового листа: При имеем или , Рассматриваем второй случай: , то есть, , то есть , значит .

Уравнение асимптоты UV определяется из выражения: , следовательно, .

После поворота осей на получаем окончательное уравнение

Площадь области между дугами и Нахождение площади Площадь , заключённая между дугами ACO и ABO вычисляется так: , где .

Этот интеграл вычисляется с помощью подстановки: .

Пределы интегрирования:

Интеграл преобразуется к виду:

или

Первый интеграл из этого уравнения: . Подстановка: . Пределы интегрирования: .

Интеграл преобразуется к виду:

.

Второй интеграл:

Подстановка: . Пределы интегрирования: . Интеграл преобразуется к виду:

.

Итак: .

Площадь равна .

Площадь области между асимптотой и кривой равна площади петли . Нахождение площади Площадь , заключённая между ветвями кривой и асимптотой UV, вычисляется точно также, как и площадь ; интеграл берётся в пределах от 0 до .

Этот интеграл вычисляется также, как и в предыдущем случае. , то есть, площади и равны между собой.

Объём тела, образованного при вращении дуги вокруг оси абсцисс Нахождение объёма вращенияОбъём () тела, образованного при вращении дуги вокруг оси абсцисс, рассчитывается так:

.

Итак:

.

Объём () тела, образованного при вращении одной ветви вокруг оси абсцисс, стремится к бесконечности. Этот объём вычисляется из предыдущего интеграла в пределах от до . Этот интеграл равен бесконечности, то есть .

Исследование кривой При имеем или , или , то есть .

Уравнение асимптоты UV определяется из выражения: .

Производная Чтобы найти максимальное значение функции и уравнение касательной, вычислим производную функции:

. Приравниваем производную y' к нулю и решаем полученное уравнение относительно x. Получим: . При этом значении x функция (2) имеет максимум на верхней дуге — точка и минимум на нижней дуге — точка . Значение функции в этих точках равно: .

Значение производной y’ в точке равно , то есть касательные в точке взаимно перпендикулярны и наклонены к оси абсцисс под углом .

См. также Овал Декарта

Ссылки

Категория:Алгебраические кривые Категория:Рене Декарт