Aptarimas:Matematika/Kreivis

teisingas ir neteisingas sprendimo budas

keisti
  • Nustatyti kreivį cikloidės
 
jos laisvai pasirenkame taške (x; y).
Sprendimas.
 
Įstatydami gautas išraiškas į formulę (3), randame:
 
 
 
 
 

vadovelio formule teisinga, o isvesta neteisinga nors vadovelis ir siulo isvesti taip

keisti

Apskaičiavimas kreivio linijos, užrašytos lygtimi polinėse koordinatėse

keisti
Tegu kreivė užrašyta lygtimi pavidalo
 
Užrašysime formules perėjimo iš polinių koordinačių į dekartines:
 
Jeigu į šitas formules įstatyti vietoje   jo išraišką per   t. y.   tai gausime:
 
Paskutines lygtis galima nagrinėti kaip parametrines lygtis kreivės (1), be kita ko parametras yra  
Tada
 
 
 
Įstatant paskutinę išraišką į formulę (1) praeito skyriaus, gausime formulę apskaičiavimui kreivio kreivės polinėse koordinatėse:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Originali (vadovėlio) formulė yra:
 

Pavyzdžiai

keisti
Vaizdas:Kreivispav144.jpg
144 pav.
  • Nustatyti kreivį Archimedo spiralės   laisvai pasirenkame taške (144 pav.).
Sprendimas.
 
Iš to seka,
 
Pastebėsime, kad su didelėmis reikšmėmis   turi vietą apytikslės lygybės:   todėl, pakeičiant praeitoje formulėje   į   ir   į   gauname apytikslę formulę (didelėms reikšmėms  ):
 
Tokiu budu, su didelėmis reikšmėmis   Archimedo spiralė turi apytiksliai tą patį kreivį, kaip ir apskritimas spindulio  .
Pavyzdžiui, jei    , tuomet:
 
 
 

Bandymas 2

keisti

Apskaičiavimas kreivio linijos, užrašytos lygtimi polinėse koordinatėse

keisti
Tegu kreivė užrašyta lygtimi pavidalo
 
Užrašysime formules perėjimo iš polinių koordinačių į dekartines:
 
Jeigu į šitas formules įstatyti vietoje   jo išraišką per   t. y.   tai gausime:
 
Paskutines lygtis galima nagrinėti kaip parametrines lygtis kreivės (1), be kita ko parametras yra  
Tada
 
 
 
 
 
Įstatant paskutinę išraišką į formulę (1) praeito skyriaus, gausime formulę apskaičiavimui kreivio kreivės polinėse koordinatėse:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Originali (vadovėlio) formulė yra:
 

Tai hiperbolės lanko ilgis

keisti
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pasinaudojome internetiniu integratoriumi http://integrals.wolfram.com/index.jsp?expr=Sqrt%5B1%2B+1%2F%282x%29%5D+&random=false.

Neteisingas sprendimas ieškant

keisti
  • Nustatyti kreivį parabolės   taškuose   ir   Rasti prabolės evoliutės lanko ilgį iš taško   iki taško   naudojantis kreivės lanko ilgio skaičiavimo formule
 
Taškas   yra spindulio   centras, o taškas   yra spindulio   centras. Spindulys   yra atkarpa iš taško   iki taško  . Spindulys   yra atkarpa iš taško   iki taško  .
Sprendimas.  
 
Kreivis taške   yra lygus:
 
 
Kreivis taške   yra lygus:
 
 
 
Dabar užrašysime parabolės normalės lygtį taške  :
 
 
 
Toliau rasime spindulio   centro   koordinates. Žinome, kad
 
 
 
 
Išsprendę lygčių sistemą rasime   taško   koordinatę:
 
keitimo budu gauname:
 
 
 
 
 
 
 
 
Tai yra ketvirto laipsnio lygtis, kurios sprendinius rasime pasinaudodami internetu (http://www.1728.org/quartic.htm):
 
Vadinsi spindulio   centro   abscisės   koordinatė turi buti viena iš keturių pateiktų. Kadangi vien spindulys  , tai centro abscisės koordinatė   yra arba   arba  . Bet kadangi spindulys   yra parabolės liestinės normalė ir spindulio   galas (centras  ) priklauso parabolės evoliutei, tai
 
Žinodami  , įstatę į parabolės evoliutės lygtį, randame (sekančiame pavyzdyje pateiktas parabolės evoliutės lygties radimas):
 
 
Arba per Pitagoro teoremą randame:
 
 
 
Per Pitagoro teoremą gautas atsakymas panašus į tikrąjį, nes parabolės   taške   spindulys   yra statmenas parabolės liestinei taške   ir beveik lygiagretus Ox ašiai. O parabolės liestinė taške   yra beveik lygiagreti Oy ašiai. Taigi, radome spindulio   centrą   kuris nedaug skiriasi nuo teisingo  
Toliau rasime spindulio   centro   koordinates. Žinome, kad
 
 
 
 
Išsprendę lygčių sistemą rasime   (taško   koordinate):
 
keitimo budu gauname:
 
 
 
 
 
 
Taigi,   Žinodami  , įstatę į parabolės evoliutės lygtį, randame (sekančiame pavyzdyje pateiktas parabolės evoliutės lygties radimas):
 
Arba per Pitagoro teoremą randame:
 
 
Radome spindulio   centrą  
Bet dėl kažkokių priežasčių sprendžiant ketvirtojo laipsnio lygtį nebuvo gautos visiškai teisingos   koordinatės, o tik panašios.

blogas įrodymas

keisti

Kreivės užrašytos parametriškai

 
kreivio apskaičiavimo formulė yra:
 
 
 
Galima naudotis ir šita formule:
 

Įrodymas

keisti
Kreivis yra kampo   tarp erdvinės linijos liestinių skirtinguose taškuose M ir N santykis su tos kreivės lanko ilgiu ds tarp tų taškų. Kamui   artėjant prie nulio, artėja ir krevės lanko ilgis prie nulio.
Kreivė užrašyta parametriškai
 
taške   turi liestinės vektorių:
 
Taškas   turi liestinės vektorių:
 
Kampas tarp liestinių taškuose   ir   yra lygus kamui tarp vektorių   ir  :
 
Erdvinės linijos kreivį iš taško   iki taško   galima apskaičiuoti taip:
 
 
Jei vektoriai liestinių normalizuoti, tuomet kampą tarp jų galima užrašyti taip:
 
čia  
Kai kampas   artėja į nulį,   tada   ir kreivės lanko ilgis s tarp taškų   ir   artėja į nulį,  , tada turime:
 
Kai kampas   artėja į nulį iš formulės   turime  . Iš vektorių žinome, kad
 
todėl kreivis lygus:
 
 
 
Skaityklyje negalime įstatyti vektoriaus   koordinačių, nes kreivis tampa lygus nuliui.
Žinome, kad dvimatėje erdvėje ant plokštumos xOy kokios nors kreivės liestinės kampas su Ox ašimi yra   Jeigu vektoriaus   kiekvieną iš parametrinių funkcijų padalinsime iš  , kai   yra parametro t atstumas iki kol bus pasiektas taškas   tai gausime vektorių  
Kai liestinės dvimatėje erdvėje kampas   yra surištas su  , tai   savybės negali būti panaudotos vektoriui apibūdinti. Mūsų atveju, mes jau turime, kad   tarp vektorių, kai mažėja kampas  . Todėl suradę prie ko artėja riba   artėjant kamui   prie nulio, turime kampo išvestinę, kuri savo reikšme analogiška funkcijos kitimo greičio išvestinei tam tikrame taške. Kampo išvestinė reiškia, kiek linija nukrypsta nuo savo pradinės trajektorijos tam tikrame taške. Tiesės kampo išvestinė yra lygi nuliui, nes linija nenukrypsta nei kiek. Vektoriaus   ilgis, artėjant taškui   prie taško  , tampa lygus vektoriaus   ilgiui, todėl  
Iš vektorių formulės   turime:
 
arba Lagrandžo tapatumą:
 
 

Siuloma normalė nėra statmena liestinei

keisti

Apskaičiavimas kreivio linijos, užrašytos parametriškai erdvėje

Kreivės užrašytos parametriškai
 
kreivio apskaičiavimo formulė yra:
 
 
 
Galima naudotis ir šita formule:
 


Kreivės liestinės vektorius taške   yra   Šis liestinės vektorius yra lygiagretus kreivės liestinei taške  
Erdvinės kreivės liestinės lygtis taške   yra:
 
arba
 
Kreivės normalės vektorius (kreivio spindulio vektorius) taške   yra   tik toms parametrinėms funkcijoms kurių rodikliai p yra riboje   tai yra   pavyzdžiui,  ,  ,  ,   Pavyzdžiui, funkcija užrašyta parametriškai   turi normalės vektorių  
Kreivės normalės vektorius   taške   yra visoms funkcijoms užrašytoms parametriškai. Minuso ženklas prie išvestinės vardiklyje pasirenkamas tuo atveju, jeigu rodiklis parametro yra  . Pavyzdžiui, funkcija užrašyta parametriškai   turi taške   tik vieną normalės vektorių statmeną kreivės liestinei taške   kuris yra:
 
 
 
 
Jeigu funkcijos parametras yra   ir  , tada pliuso ar minuso ženklą pasirinkti prie parametrinės funkcijos išvestinės priklauso nuo kitų funkcijų. Pavyzdžiui, parametrinėms funkcijoms  ,  ,   gausime kreivės užrašytos šitomis parametrinėmis funkcijomis normalės vektorių:
 
 
Kitas pavyzdis, kreivės užrašytos parametriškai  ,  ,  , normalės vektorius taške   yra:
 
 
 
Todėl galime užrašyti kreivės normalės lygtį:
 
arba
 
 
Turime lygčių sistemą:
 
Gauname, kad
 
 
Įstatę į antrą sistemos lygtį gauname:
 
 
 
Išsprendus kvadratinę lygtį
 
 
surandama kreivio centro   koordinatė   Analogiškai surandama ir   kordinatė išsprendus lygtį:
 
Tokiu pačiu principu surandama ir   koordinatė, išsprendžiant lygtį:
 


Norint surasti parametrines erdvinės kreivės evoliutės lygtis grįžtame prie sistemos:
 
Iš kurios turime:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ar pliuso ar minuso ženklą pasirinkti, reikia vadovautis tuom, kad erdvinės kreivės normalės vektorius   būtų tos pačios krypties arba bent jau lygiagretus vektoriui   Jei lygiagretumo sąlyga išpildyta, bet krypties sąlyga neišpildyta, tuomet turėtume gauti išverstos evoliutės lygtį, kuri bus aplink kreivę, o ne kreivės viduje. Kad gauti evoliutės lygtį kuo panašesnę į plokščios (dvimatės) evoliutės lygtį, ir lygiagretumo sąlyga, ir krypties sąlyga turi būti išpildyta (kai abu vektoriai yra tos pačios krypties tuomet  ; čia   yra lanko ilgis evoliutės iš vieno centro taško iki kito centro taško).
Analogiškai turime ir parametrinę y evoliutės išraišką:
 
 
Taip pat surandama ir parametrinė z evoliutės lygties koordinatė:
 
 
Taškas   yra kreivės kreivio centro taškas, kuris su tašku   sudaro spindulį R.

Labai keistas sutapimas

keisti
padalinę vektoriaus narius   iš vektoriaus   narių turėtume gauti tas pačias x, y, z reikšmes gautame vektoriuje, taigi
 
 
 
kažkodėl gavome tik apytiksiai vienodas reikšmes (su kitomis  ,  ,   reikšmėmis jos dar mažiau bus panašios, ypač su kita   reikšme) ir keistą sutapimą, kad liekanos vienodos (.98418).

nesiprastina

keisti
c) Erdvinės evoliutės parametrinės lygtys yra (bent jau, kai t kinta nuo 0 iki  ):
 
 
 
 
 
 
 
 

Vienoje vietoje vietoj t turi būti x, kad derivatorius duotų teisingai (kad gauti teisingai)

keisti
e) Randame išvestines (pasinaudodami derivatoriumi iš www.derivator.org):
funkcijai   įvedame į derivatorių ((1+4*x^2+9*x^4)^(3/2))/((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^(1/2) ir gauname rezultatą
(1.5*(1+4*x^2+9*x^4)^0.5*(0+0+4*2*x+0+9*4*x^3)*((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5-(1+4*x^2+9*x^4)^1.5*0.5*((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^-0.5*((0+9*4*x^3+0+9*2*x+0)*(144*x^4+9*x^2+4)+(9*x^4+9*x^2+1)*(0+144*4*x^3+0+9*2*x+0)))/((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5^2;
 
 
 
 
toliau randame   įvedame į derivatorių (3*t*(1+4*x^2+9*x^4)^(3/2))/(4*(9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^(1/2) ir gaudami
((0+3*(0+t*1.5*(1+4*x^2+9*x^4)^0.5*(0+0+4*2*x+0+9*4*x^3)))*(4*(9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5-3*t*(1+4*x^2+9*x^4)^1.5*0.5*(4*(9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^-0.5*(0+4*((0+9*4*x^3+0+9*2*x+0)*(144*x^4+9*x^2+4)+(9*x^4+9*x^2+1)*(0+144*4*x^3+0+9*2*x+0))))/(4*(9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5^2;
 
 
 
 
 
 
 
 
kai ieškodami   įvedame į derivatorių (1.5*(x^(2/3)+4*x^(8/3)+9*x^(14/3))^(3/2))/((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^(1/2), tai gauname

((0+1.5*1.5*(x^0.666667+4*x^2.66667+9*x^4.66667)^0.5*(0.666667*x^-0.333333+0+4*2.66667*x^1.66667+0+9*4.66667*x^3.66667))*((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5-1.5*(x^0.666667+4*x^2.66667+9*x^4.66667)^1.5*0.5*((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^-0.5*((0+9*4*x^3+0+9*2*x+0)*(144*x^4+9*x^2+4)+(9*x^4+9*x^2+1)*(0+144*4*x^3+0+9*2*x+0)))/((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5^2;

tuo tarpu [beieškant  ] įvedant (1.5*x*(1+4*x^2+9*x^4)^1.5)/((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5 gauname

((0+1.5*((1+4*x^2+9*x^4)^1.5+x*1.5*(1+4*x^2+9*x^4)^0.5*(0+0+4*2*x+0+9*4*x^3)))*((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5-1.5*x*(1+4*x^2+9*x^4)^1.5*0.5*((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^-0.5*((0+9*4*x^3+0+9*2*x+0)*(144*x^4+9*x^2+4)+(9*x^4+9*x^2+1)*(0+144*4*x^3+0+9*2*x+0)))/((9*x^4+9*x^2+1)*(144*x^4+9*x^2+4))^0.5^2;

Grįžti į "Matematika/Kreivis" puslapį.