ラジカル軸

 M 1M 2 を中心とする2つの円
 サンプル点P を持つ根軸
  両円からPまでの接線距離
根軸上のどの点でも接線の長さは等しくなければなりません。P T 1T 2共通の接線上にある場合、 Pは中点です。

ユークリッド幾何学において、二つの非同心円のとは、二つの円に対するが等しい点の集合である。このため、根軸は二つの円の冪線または冪二等分線とも呼ばれる。詳細は以下の通りである。

中心がそれぞれM 1M 2、半径がそれぞれr 1r 2である2つの円c 1c 2について、点Pのこれらの円に対するべき乗は

Pが根軸に属する場合、

円が2点を共有する場合、根軸は円の共通割線となります。 点Pが円の外側にある場合、Pは両方の円に対して等しい接線距離を持ちます。 半径が等しい場合、根軸はM 1M 2線分の二等分線となります。 いずれの場合も、根軸はM 1 、M 2 に垂直な直線となります。

表記について

ラジカル軸という用語は、フランスの数学者M.シャスルによって斧ラジカルとして使われました。[ 1 ] JVポンスレはchorde idealeという用語を使用しました。[ 2 ] J.プリュッカーはChordaleという用語を導入しました。[ 3 ] J.シュタイナーはラジカル軸を等力線ドイツ語Linie der gleichen Potenzen )と呼び、これがべき乗線Potenzgerade )という用語につながりました。[ 4 ]

プロパティ

幾何学的形状とその位置

点の位置ベクトルをとします。すると、根号直線の定義方程式は次のように表されます。

定義と計算

正しい方程式から得られるものは

  • 根軸の点集合は実際には直線であり、円の中心を通る直線に垂直です。

(は根軸に対する法線ベクトルです!)

この式を で割ると、ヘッセ行列の正規形が得られる。中心の位置ベクトルを代入すると、中心から根軸までの距離が得られる。

と。

(が の間にない場合は負になることがあります。)

円が2点で交差する場合、根号線は共通点を通ります。円と円が互いに接しているだけの場合、根号線は共通接線となります。

特別なポジション

根軸:バリエーション
  • 交差する 2 つの円の根軸は、それらの共通の割線です。
  • 二つの接する円の根軸はそれらの共通接線です。
  • 交差しない 2 つの円の根軸は、2 つの便利な等角円の共通正割です (下記の「直交円」を参照)。

直交円

接線の接点は直交円(緑)上にある。
  • 円の外点と2つの接点に対して、方程式は成立し、中心と半径 の円上に存在します。円は2つの円と直交します。したがって、
が根軸の点である場合、4 つの点は円 上にあり、円 は与えられた円直交します。
  • 根軸は、与えられた円と直交するすべての円の中心で構成されます。

直交円のシステム

前のセクションで説明した、与えられた2つの円と直交する円束の構築方法は、2つの直交する円のシステムの構築に拡張できます。[ 5 ] [ 6 ]

前のセクションと同様に、2つの離れた円をそれぞれ中心と半径とし、を根軸とします。ここで、直線を根軸とするすべての円の中心は、直線上に決定されます。もしがそのような円で、その中心から中心までの距離が で半径がであるとき、前のセクションの結果から、次の式が得られます 。

どこが固定されているか。

この式は次のように書き直すことができます。

直交円のシステム:構築

半径が与えられている場合、この式から新しい中心の(固定された)根軸までの 距離が求められます。図では、新しい円の色は紫色です。緑色の円はすべて根軸上に中心を持ち、円と直交するため、すべての新しい円(紫色の円)とも直交します。根軸(赤い線)を-軸、直線を-軸とすると、2つの円束の式は次のようになります。

紫:
緑:

(点は緑色の円の中心です。)

特性:a)任意の2つの緑色の円は、直交円系のである点 で -軸上で交差します。つまり、 -軸は緑色の円の根軸です。b )紫色の円には共通点がありません。しかし、実平面を複素平面の一部と見なすと、任意の2つの紫色の円は、共通の根軸である -軸上で点 で 交差します。

放物線直交系
同軸円:種類

特殊なケース:a)緑の円が原点で - 軸を共通接線として接し、紫色の円も - 軸を共通接線として接している場合 。このような円系は共軸放物線円と呼ばれます(下記参照)。b )中心、つまり に縮小すると、方程式はより単純な形になり、 となります 。

結論:a)任意の実数円の束

には次の性質があります: -軸は の根軸です。
円が点で交差する場合。
共通点がない場合。
の場合、それらは で接し、-軸はそれらの共通接線です。

b)任意の実数に対して、2本の円の束

直交する円の系を形成します。つまり、任意の2つの円は直交して交差します。

c) b)の方程式から、座標フリー表現が得られます。

与えられた極に対する円の直交系
与えられた点、その中点、線分の二等分線に対して、 2つの方程式
では との間ではなく 、 との間
システムの極が一意に決定される円の直交システムを説明します。
システムの軸を規定する必要がある。システムは放物線状である。
ずっと続きます 。​

定規とコンパスを使った作図:

円の直交系:定規とコンパスによる作図

直交円の系はその極によって一意に決定されます。

  1. 軸(根軸)は直線と極の線分の二等分線です。
  2. から までの円(図の緑色)は、 中心が にあります。簡単に描くことができます。点の半径は です。
  3. 2 本目の鉛筆 (図の青色) で中心を とする円を描くには、ピタゴラスの定理を適用して半径を決定する必要があります(図を参照)。

軸を追加で選択する必要がある 場合、システムは放物線状であり、簡単に描画できます。

同軸円

定義とプロパティ:

2つの円とそのべき乗関数を仮定する。任意の

は円の方程式である(下記参照)。このような円のクラスは、円によって生成される共軸円系と呼ばれる。(この場合、方程式は の根軸を記述する。)[ 7 ] [ 8 ]

のべき乗関数は

のノルム方程式( の係数は)は です。

簡単な計算で次のようになります。

  • と同じ根軸を持ち、

を無限遠まで移動させることで、と が共軸円のシステムのメンバーであることがわかります。

(E):が2 点 で交差する場合、 は任意の円 の点となり、直線 はそれらの共通根軸となります。このような系は楕円系と呼ばれます。(P):と がで接する場合、系の任意の円は点と の両方に で接します。共通接線がそれらの共通根軸となります。このような系は放物系と呼ばれます。(H):と に共通点がない場合、系の任意の円のペアについても同様です。任意の円のペアの根軸は、および の根軸です。この系は双曲系と呼ばれます。

詳細:

次のような座標を導入する

その場合、-軸はそれらの根軸になります (上記参照)。

べき乗関数を計算すると、ノルム円方程式が得られます。

平方完成して(中心の -座標)を代入すると、方程式の中心形が得られる。

円が2点で交差する とき

そして同軸円のシステムは楕円形です。

の場合 、円は 共通点を持ち、システムは放物線状です。

円に共通点がなく、システムが双曲型である場合。

代替方程式:1)共軸円系の定義方程式では、べき乗関数の倍数も使用できます。2 )円の1つの方程式を、目的の根軸の方程式に置き換えることができます。根軸は、無限大の半径を持つ円と見なすことができます。例えば、次のようになります。

最初の円と直線を 根軸とするすべての円を表します。3 ) 2つの円が等しい状態を表すために、次の形式がよく使用されます。

しかし、この場合、パラメータによる円の表現は一意ではありません。

応用:a)円の反転メビウス変換は角度と一般化されたを保存する。したがって、円の直交系はこれらの写像の研究において重要な役割を果たす。[ 9 ] [ 10 ] b)電磁気学では、同軸円は磁力線として現れる。[ 11 ]

3つの円の根心、根軸の構築

3 つの円の根心緑色の円は 3 つの円と直交します。

3つの円があり、そのうち2つが同心円でない場合、3つの根軸が存在します。これらの円の中心が同一直線上にない場合、それらの根軸は共通点(3つの円の根中心)で交差します。中心が にある2つの円に直交する円は、 3つ目の円(根軸円) に直交します。

証明。根軸は、円 に対して等しい接線距離を持つすべての点を含みます。との交点は、3つの円すべてに対して等しい接線距離を持ちます。したがって、も根軸上の点です。
この性質により、中心が である交差しない2つの円の根軸を描くことができます。与えられた中心と直線ではなく、 と交差する3つ目の円を描きます。根軸を描くことができます。それらの交点は3つの円の根中心であり、 上にあります。に垂直な直線が を通る線分が根軸です 。

追加構築方法:

等しい力を持つ円による根軸の構築。これは成り立ちます。

与えられた円に対して同じ力を持つすべての点は、と同心円上にあります。これを等力円と呼びます。この性質は、2つの円の根軸の追加の作図法にも利用できます。

交差しない2つの円 に対して、に関して同じべき乗を持つ2つの等べき円 を描くことができます(図を参照)。詳細:べき乗が十分に大きい場合、2つの円は 根軸 上にある2つの共通点を持ちます。

双極座標との関係

一般に、互いに交わらず同心円でない任意の2つの円は、双極座標系の円と一直線に並べることができます。その場合、根軸は単にこの座標系の - 軸となります。座標系の2つの焦点を通る軸上のすべての円は、2つの円と直交します。すべての円の中心が与えられた直線上にあり、すべての円のペアが同じ根軸を持つような円の最大の集合は、同軸円束と呼ばます

三線座標における根基中心

円を通常の方法で三線座標系で表す場合、その根心は特定の行列式として便宜的に与えられます。具体的には、辺の長さがである三角形の平面上の変数点を とすると、円は次のように表されます。

根心は点である

根平面と超平面

3次元における2つの非同心球の根軸平面も同様に定義されます。根軸平面は、2つの球の接線の長さが同じになる点の軌跡です。 [ 12 ] この軌跡が平面であるという事実は、根軸が直線であるという事実から3次元での回転によって生じます。

同じ定義は、任意の次元のユークリッド空間内の超球面にも適用でき、 2 つの非同心超球面の 根基超平面が得られます。

注記

  1. ^ Michel Chasles、CH Schnuse: Die Grundlehren der neuern Geometrie、erster Theil、Verlag Leibrock、ブラウンシュヴァイク、1856 年、p. 312
  2. ^フィッシャー博士: Lehrbuch der Analytische Geometrie、ダルムシュタット、1851 年、Verlag Ernst Kern、p. 67
  3. ^ H. Schwarz: Die Elemente der Analytischen Geometrie der Ebene、Verlag HW Schmidt、ハレ、1858 年、p. 218
  4. ^ヤコブ・シュタイナー: Einige geometrische Betrachtungen。掲載: Journal für die reine und angewandte Mathematik、バンド 1、1826、p. 165
  5. ^ A. Schoenfliess、R. Courant: Einführung in die Analytische Geometrie der Ebene und des Raumes、Springer-Verlag、1931 年、p. 113
  6. ^ C. Carathéodory: Funktionentheorie、Birkhäuser-Verlag、バーゼル、1961、ISBN 978-3-7643-0064-7、p. 46
  7. ^ダン・ペドー著『 Circles: A Mathematical View』アメリカ数学会、2020年、ISBN 9781470457327、16ページ
  8. ^ R. ラクラン著『現代純粋幾何学に関する初等的論文集』マクミラン社、ニューヨーク、1893年、200ページ
  9. ^ Carathéodory: Funktionentheorie、p. 47.
  10. ^ R. Sauer: Ingenieur-Mathematik: Zweiter Band: Differentialgleichungen und Funktionentheorie、Springer-Verlag、1962 年、ISBN 978-3-642-53232-0、p. 105
  11. ^ Clemens Schaefer: Elektrodynamik und Optik、Verlag: De Gruyter、1950、ISBN 978-3-11-230936-0、p. 358.
  12. ^ Merriam–Websterオンライン辞書を参照。

参考文献

さらに読む