Асимптотична крива

Асимптотична крива або асимптотична лінія — лінія на поверхні, яка в кожній точці дотична асимптотичного напрямку,[1] тобто такого напрямку, в якому нормальний переріз поверхні має нульову кривину.

Наприклад, на поверхні другого порядку асимптотичні лінії — тільки прямолінійні твірні.

На довільній поверхні асимптотична крива визначається диференціальним рівнянням

де  друга квадратична форма поверхні.

Три типи точок поверхні

Точки, в яких гаусова кривина , називаються гіперболічними (прикладом поверхні всі точки якої — гіперболічні, є однопорожнинний гіперболоїд або гіперболічний параболоїд); точки, в яких гаусова кривина , називаються еліптичними (прикладом поверхні всі точки якої — еліптичні є еліпсоїд або двопорожнинний гіперболоїд); точки, в яких гаусова кривина , але середня кривина , називаються параболічними (прикладом поверхні всі точки якої — параболічні, є конус або циліндр).

Параболічні точки, як правило, утворюють криву, що розділяє поверхню на еліптичну і гіперболічну області.

В області еліптичних точок асимптотичних ліній немає.

В області гіперболічних точок є рівно дві групи асимптотичних ліній, що складають так звану асимптотичну мережу: через кожну гіперболічну точку проходить по одній лінії кожної групи, кут їх перетину відмінний від нуля.

В параболічних точках асимптотичні лінії мають, як правило, касп і мають вигляд напівкубічної параболи, що лежить (за виключенням самої точки) в гіперболічній області, що примикає до параболічної лінії.

Властивості

  • Стична площина асимптотичної кривої (там, де вона існує) збігається з дотичною площиною до поверхні F в тій же точці.
  • Квадрат скруту асимптотичної кривої (там, де його визначено) дорівнює модулю гаусової кривини поверхні (теорема Бельтрамі — Еннепера).
  • Прямолінійний відрізок на поверхні завжди є асимптотичною кривою. Зокрема асимптотичними кривими є прямолінійні твірні поверхні.
  • На поверхнях сталої від'ємної кривини асимптотична мережа є мережею Чебишева, зокрема площа чотирикутника, утвореного асимптотичними кривими, пропорційна перевищенню суми його внутрішніх кутів над (формула Хацидакіса).
  • На мінімальний поверхні асимптотична мережа є ортогональною мережею.
  • При проективному перетворенні простору асимптотичні криві поверхні переходять в асимптотичні криві поверхні .

Рівняння для графіка функції

Нехай в евклідовому просторі з координатами і метрикою поверхня задана у вигляді графіка функції . Тоді в координатах асимптотичні лінії поверхні задаються диференціальним рівнянням

Ввівши позначення , його можна переписати у вигляді

Дискримінант який стоїть у лівій частині квадратного тричлена (відносно змінної ) збігається з гессіаном функції , взятим із оберненим знаком, і рівняння задає на площині криву, що складається із параболічних точок поверхні (за умови, якщо один із коефіцієнтів або відмінний від нуля), яка так само є дискримінантою кривої даного диференціального рівняння, не розв'язного щодо похідної. У типовому випадку майже у всіх параболічних точках це рівняння має нормальну форму Чибраріо, виняток становлять лише точки, що лежать на дискримінантній кривій дискретно, в них нормальна форма рівняння більш складна. Ще більш складну нормальну форму рівняння асимптотичних ліній має в точках, де всі три коефіцієнти , , перетворюються в нуль одночасно, — це так звані плоскі омбіліки, в яких , тобто всі нормальні перетини поверхні мають нульову кривину.

Приклади

  • Всі точки однопорожнинного гіперболоїда належать до гіперболічного типу. Рівняння асимптотичних ліній в цьому випадку приймає вигляд , де . Як легко перевірити, загальний розв'язок цього рівняння задається формулою , де параметри і задовольняють співвідношення . Таким чином ми отримуємо дві сім'ї (що відповідають різним знакам у формулі ) асимптотичних ліній однопорожнинного гіперболоїда, що збігаються з його прямолінійними твірними.
  • Асимптотичні лінії конуса так само збігаються з його прямолінійними твірними. Так як всі точки конуса параболічні, то ми маємо одну сім'ю асимптотичних ліній.
  • У випадку поверхні заданої рівнянням , маємо . Лінія параболічних точок () ділить поверхню на еліптичну () і гіперболічну () області. В останній розташовані дві сім'ї асимптотичних ліній. У всіх параболічних точках, за винятком початку координат (), рівняння асимптотичних ліній має нормальну форму Чибраріо, отже асимптотичні лінії в околі цих точок мають вигляд напівкубічних парабол. На початку координат мережа асимптотичних ліній має більш складну особливість, характер якої залежить від параметра .
  • Асимптотичними кривими на торі, заданому параметрично у вигляді:

є два паралелі , що розділяють гіперболічні і еліптичні області і повністю складаються з параболічних точок .

Примітки

  1. Борисенко, с. 127.

Література

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.